اختبار المواد الفضائية الجوية من أجل المقاومة في الترسب الفضائي الفضائي

تحدي الإشعاع الذري في بيئة الفضاء

إن المواد الفضائية والسواتل تعمل في بيئة أكثر عدائية من أي شيء يوجد على الأرض، فبعد غطاء الحماية من الغلاف الجوي، تخضع لطائفة كاملة من الإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي، بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية العالية الطاقة، وتخريب المواد الأرضية الفوقية، ولا سيما الأشعة فوق البنفسجية الفوقية (100-280 نانوغرام) وقطعة الأشعة فوق البنفسجية (280 إلى 315 نانو مترا).

ففهم كيفية تفاعل الإشعاع فوق البنفسج مع مختلف فئات المواد يتيح للمهندسين اختيار أو تطوير المنافذ الفرعية الصحيحة ونظم الحماية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي الأفلام المتعددة الوسائط مثل كابتون، التي تستخدم على نطاق واسع في البطانيات الحرارية وعزل الكابلات، إلى تآكل الأعماق وتصبح رشوة تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية المطولة ما لم يتم تدوينها.

تبسيط الشمس في المختبر: أساليب الاختبار الرئيسية

ولتكرار التدفق الشمسي للمركبات فوق البنفسجية التي تشهدها المدار الأرضي المنخفض أو الفضاء العميق، يعتمد الباحثون على مجموعة من المعدات والبروتوكولات المتخصصة، والهدف هو تسريع عملية الشيخوخة بحيث يمكن الضغط على عقود من التعرض إلى أسابيع أو أشهر، مع الحفاظ على ارتباط سليم علميا بالظروف الفضائية الحقيقية.

مركبة طراز UV Solar Simulators

هذه الأجهزة تستخدم مصابيح كهربية أو مصابيح كربونية مشبع بالزئبق لإنتاج طيف يطابق بدقة ضوء الشمس عند مسافة الأرض المتوسطة (AM0) وتزيل الطفيليات الطاقة ذات الأشعة دون الحمراء لتجنب الإجهاد الحراري، وتعادل درجة الأشعة فوق البنفسجية عادة إلى 1-10 مرات من المقياس الشمسي (إجمالي 1361 W/m2) مع وجود 8 في المائة من الزي الأعلى.

اختبارات الشيخوخة المعجلة

الاختبار المعجل يتبع معايير ثابتة مثل ASTM E896) (للمحاكاة الشمسية) و]ASTM G154 (للمعول فوق كثافة الغلاف الجوي) والمبدأ هو زيادة كثافة الضوء فوق سطح الأرض إلى مدة الاختبار القصيرة.

الدوائر البيئية التي بها مركبي الأشعة فوق البنفسجية والفاكوم

لأن الفضاء هو فراغ، يمكن أن ينتج التعرض للأشعة فوق البنفسجية في الهواء نواتج ثانوية مأكسدة تغير مسارات التحلل، ولإحراز نتائج تمثيلية حقاً، كثيراً ما تجرى الاختبارات في غرف الفراغ المجهزة بمصادر الموجات فوق البنفسجية، ويمكن لهذه الغرف أيضاً أن تُدرج عوامل بيئية أخرى: الإشعاع الإلكتروني والبروتوني (تحفيز على حزام فان ألين) والأكسجين (فياً)

تقييم الأداء المادي بعد التعرض

وبعد التعرض، تقيّم بطارية من التقنيات التحليلية درجة التدهور، ويعتمد اختيار الأساليب على المواد والمهمة المقصودة منها.

التغييرات المادية والمؤقتة

ويقاس التفتيش البصري تحت وثائق الإضاءة الخاضعة للرقابة، وفك الشق، والتطهير، وتآكل السطح، بالنسبة للمواد الشفافة مثل نظارات الغلاف في الخلايا الشمسية، التفكك الذي يسببه الأشعة فوق البنفسجية بإحالة من 200 ميل بحري إلى 2500 نانو متراً.

اختبار الممتلكات الميكانيكية

ويقاس القوام التصاعدي، والارتفاع في الكسر، وشعار يونغ للأفلام والصحائف الرقيقة، وبالنسبة للمركبين، فإن القوة الجامحة، وقوام الملاحين الداخليين، يمكن أن يقي ِّموا التغيرات في صعوبة السطح، ومثال كلاسيكي هو بوليم كليبرتون: بعد ٠٠٠ ١ ساعة مكافئة من ساعات التفريغ فوق البنفسج، مما يجعل السلامة في النسيج أكثر من ٧,٠ في المائة.

التحليل الكيميائي

ويكشف جهاز التصفيف بالأشعة تحت الحمراء الذي يبث من أربعة مستويات عن فقدان مجموعات وظيفية معينة (مثلاً، C-H، C=O) وعن تشكيل أنواع الكربون أو الهيدروكسيل، ويحدد نموذج التصوير بالأشعة السينية أكسيد الفلورية وتغيرات التركيبة الأولية.

الأسر الرئيسية للمواد وقابليتها للكشف عن الأشعة فوق البنفسجية

وتستجيب مختلف فئات المواد للأشعة فوق البنفسجية بطرق مختلفة، فهم هذه الاختلافات أمر أساسي لاختيار المواد على نحو سليم في تصميم المركبات الفضائية.

البوليمرات والذرات

والبوليميرات العطرية (كابتون، أوبليكس) أكثر مقاومة من اللمبات الخافتة، ولكنها لا تزال تخضع للتسمم بالصور، ونادرا ما تكون البوليميرات المزودة بأجهزة متعددة الاطفاء مكشوفة، وأجهزة البوليفورم، وأجهزة البوليفورم، مستقرة نسبيا، ولكنها يمكن أن تتحلل تحت فراغ الاكس - الأوكسجين الذري مجتمعة.

الهياكل المركبة

وتستخدم مركبات التكسين المسببة للمركبات الكربونية المجهزة بقوة من أجل هياكل حافلات المركبات الفضائية، ومفكرات الهوائيات، ومصاعدات الألواح الشمسية، وتستوعب مصفوفة الأوكسي فوق البنفسج بقوة، مما يؤدي إلى تآكل السطح وتعقب ميكرومتر يمكن أن ينتقل إلى واجهة الألياف المطاطية، كما أن المعاطف الواقية مثل الطلاءات التي تستخدم في البوليوريثان هي عوامل أساسية.

التكليف والآلات

وقد صُممت الطلاءات الحرارية - المتحكمة الحرارية (مثل الطلاء الأبيض الذي يستند إلى أكسيد الزنك أو ثاني أكسيد التيتانيوم في جهاز لاصق سيليكون) لتعكس الإشعاع الشمسي بينما تبث تحت الحمراء، ويمكن للتعرض بالأشعة فوق البنفسجية أن يصفر المربط، ويقلل من انعكاس الشمس، وقد يفقد الطلاء أيضاً، بمرور الوقت، التصفيقات الجديدة التي تستوعب أو تعكس الاستقرار.

المعادن والملفات المميتة

فلزات باهظة مثل الألمنيوم، والتيتانيوم، والصلب اللاصق لا تتأثر أساساً بالأشعة فوق البنفسجية، لكن العديد من أسطح المركبات الفضائية تستخدم المعاطف المتناثرة على أفلام البوليمر (مثلاً، الفضة على تيفلون، الألمونيوم على كابتون)

معايير الصناعة والبروتوكولات الخاصة بالاختبار

وتسترشد اختبارات المركبات الفضائية الجوية بمجموعة صارمة من المعايير التي وضعتها وكالة ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة الفضاء الدولية، ووكالة الفضاء الدولية، والمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس، وتحدد هذه الوثائق شروط الاختبار، وأساليب القياس، ومعايير القبول.

• NASA-STD-6016] - المعايير المطلوبة للمواد والعمليات الخاصة بالمركبات الفضائية، وهي تُلزم بإجراء اختبارات للمركبات لجميع المواد التي تتعرض مباشرة للشمس، مع تحديد مدة اختبار دنيا قدرها 000 1 ساعة شمسية مكافئة لبعثات المدار الأرضي، وتصل إلى 000 10 ساعة لبعثات الهندسة أو الفضاء العميق.
• ECSS-Q-ST-70-04C] - التعاون الأوروبي لتوحيد المقاييس الفضائية: التدوير الحراري واختبار الأشعة فوق البنفسجية/الغطاء الفيزيائي للمواد، وهو يتطلب معاً التدوير الحراري مع فراغ في التأهل.
• ASTM E512] - الممارسة الموحدة للبث المركب المركب وسلسلة المواد الفضائية الحرارية، توفر إجراء منهجيا للتعجيل بالشيخوخة مع المحاكاة الشمسية في الفراغ.
• ISO 21348] - تعاريف فئات الأطياف الإشعاعية الشمسية، المستخدمة في معايرة المحاكاة.

وتتبع هذه المعايير تضمن إمكانية مقارنة بيانات الاختبار من المختبرات المختلفة، وتقييد المواد وفقا لمعايير متسقة، وكثيرا ما تتطلب الوكالات اختباراً للحياة يشمل التعرض للأشعة فوق البنفسجية كجزء من حملة التأهيل الكامل، إلى جانب إجراء اختبارات للإشعاع والحرارة والهتزازات.

دراسات الحالات: دروس من البعثات الحقيقية

ويُملأ التاريخ بأمثلة تسبب فيها تدهور الأشعة فوق البنفسجية مشاكل غير متوقعة، مما يعزز الحاجة إلى إجراء اختبار شامل.

The Hubble Space Telescope] experienced gradual darkening of its multilayer insulation (MLI) blankets, which reduced thermal control efficiency. Post-repair analysis showed that the darkening was due to UV-induced crosslinking in the polyimide outer layer since then improved MLI designs include a second aluminized layer to reflect UV.

(أ) تستخدم محطة الفضاء الدولية (((() الألومنيوم المُتَجَرَّد ومختلف الأسطح المُحْطَّنة لخارجها، وقد كشفت عمليات التفتيش الدورية عن تصفير الطلاء الأبيض على هيكل الخيوط، مما أدى إلى سحب بعض تركيبات الطلاء، كما اكتشفت محطة الفضاء الدولية أن مُصَدَّات السِلَكَين المستخدمة في جبال الكاميرا أصبحت متَزَّةً بعد سنوات من الأشعة فوق البنفسج.

Mars Exploration Rovers (Spirit and Opportunity)] relied on solar panels with triple-junction solar cells.

وتبرز هذه الأمثلة أن الاختبار يجب أن يكون محدداً في البعثات: فالالمواد التي تؤدي أداءً جيداً في المدار الأرضي قد تفشل في مدار القطبي مع ارتفاع تدفق المركبات أو في بيئة فضائية عميقة لا تتوفر فيها حماية الغلاف الجوي، ويجب أن يستنسخ الاختبار موجز البعثة المستهدف بأوثق قدر ممكن.

السلف في المواد والزيوت المقاومة للمركبات

ولا تزال البحوث والتطوير تدفع حدود استدامة المواد، وتشمل النهج الجديدة ما يلي:

نانشناولوجيا - أجسام مشرقة

ويخلق دمج ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) أو أكسيد الزنك (ZnO) النانوب الجسيمات في مصفوفات متعددة المقاييس سطحاً يستوعب أو ينشر صوراً من طراز UV، ويحد من الضرر بالجملة، كما أن هذه الجسيمات النانوية تثبط البوليمر ضد أكسيد الصور، ويمكن استخدام أكسيد الغرافين كتلة من الأشعة فوق البنفسجية فعالة بسبب ارتفاعها.

التكليفات الحيوية وأجهزة الصحة الذاتية

ومن بين المعاطف التي تلهم الطبيعة، المطاط المصغر المملوء بوكلاء الشفاء، وعندما تمزق الكبسولات وتطلق سائلاً متعدد المقاييس يغلق الضرر، يمكن أن يمتد ذلك إلى حياة المعاطف المعرضة للإصابة.

شهادة المصابين بالسلف الذري المتقدم

إن طبقات الثين من الأكسيدات مثل أكسيد الألومنيوم أو أكسيد الهافنيوم الذي تودعه الرابطة لا يمكن أن تكون إلا بضعة سمومات سميكة ولكنها توفر حماية ممتازة من الأشعة فوق البنفسجية، وهذه الطبقات متوافقة جدا ويمكن تطبيقها على الأشكال المعقدة، مما يجعلها مناسبة للصور الضوئية الحساسة ونوافذ الاستشعار.

Other innovations include the use of liquid polymers (LCP) which naturally resist UV due to their rigid chain structure, and the development of hybrid inorganic-organic sol-gel coatings that combine UV absorption withtom oxygen resistance. Companies like CSL Silicones

الاستنتاج: الطريق إلى بعثات الفضاء الطويلة

ومع دفع الإنسانية إلى تمديد فترات الإقامة على سطح القمر، وبدء البعثات المأهولة إلى المريخ، وأجهزة الفضاء العميق، فإن الطلب على المواد المقاومــة للأشعة فوق البنفسجية لن ينمو إلا، فجمع علوم المواد المبتكرة، ومعايير الاختبار الصارمة، وفهم البيئة الفضائية بدقة يكفل أن تكون المركبات الفضائية في المستقبل أكثر مرونة من أي وقت مضى، وأن الاختبارات الأرضية، بوصفها غير فعالة في قياس الأداء، تظل أكثر الأدوات فعالية.

وللمزيد من القراءة، يرجى الرجوع إلى تقرير NASA بشأن المواد والهيكلات الفضائية التي تكون في حالة حدوث ، وإلى ) [(STM) المعياري E896 للحياكة الشمسية . ويمكن للمهندسين الذين يستعدون لبعثة محددة أن يشيروا أيضا إلى ) الابتكار المعياري