استخدام التكتلات الفوقية في الحد من تراكم الحرارة على سطح المركبة الفضائية

How Superhydrophobic Coatings Reduce Thermal Accumulation

وتخفض المعاطف الفوقية للهيدروفيوبين التراكم الحراري من خلال عدة آليات مترابطة تعمل معا للحفاظ على التبريد السطحي وأكثر استقرارا.

تعزيز الانتصار الشمسي

وتشتمل المعاطف الفوقية للهيدرووبيك على خنازير نانوية أو فراغات هوائية تبعث على ضوء الشمس، كما أن النسيج السطحي الخام الذي يوفر تغذوية المياه يبعث أيضاً برشات مرئية وشبه بالأشعة تحت الحمراء، مما يقلل من كمية الطاقة الشمسية التي تم استيعابها، وعندما يقترن ذلك بخنازير بيضاء مثل ثاني أكسيد التيتانيوم أو أكسيد الزنك، يمكن لهذه المعاطف أن تحقق التأمل الشمسي المباشر بنسبة 90 في النور أو أكثر.

انخفاض التحلل التدريجي

إن الشعار بالأشعة تحت الحمراء لسطح ما يحدد مدى كفاءة أشعة الحرارة إلى الفضاء، والاستمرارية وتدهور السطح، وتدفئة التصفير، ولأن المعاطف الفوقية تبعث المياه وتقاوم تكاثر الملوثات العضوية، فإنها تحافظ على خصائصها العاطفية بمرور الوقت، كما أن بعض التركيبات تتضمن مواد عالية الارتفاع في الطيف الفطري، مثل بعض التركيبات.

منع تكوين الفروست والثلج

وفي الجانب الظلّي البارد من المدار، يمكن لبخار الماء أن يلتحم ويتجمد على سطح المركبة الفضائية، حيث تُحدّد الجليد من سرعة السير الحرارية المنخفضة وتعمل كطبقة خفيضة، وتبطئ الرفض الحراري عندما تعود المركبة الفضائية إلى الضوء الشمسي، وتمنع المعاطف الفوقية من تبليل السطح، وتتجمد السككبات عند درجات حرارة أعلى، ولكنها تُنَّت بسهولة نتيجة اليقظة أو التخض.

التبريد الإشعاعي السلبي

وقد استكشفت البحوث الأخيرة الجمع بين الفم الفوقية الوبائية وقدرات التبريد الإشعاعي، إذ أن هذه المعاطف يمكن أن تشع على نحو أكثر كفاءة من السطح العادي، وذلك بتعليم المعاطف التي تبعث بقوة في نافذة الغلاف الجوي التي تتراوح بين ٨ و ١٣ ميكروم )المتعلقة بالمركبات الفضائية المدارة للأرض والتي تنظر إلى الكوكب( أو في النطاق الأوسع للأشعة تحت الحمراء للبعثات الفضائية العميقة.

مزايا التكتل السوبر هيدروفيبي للمركبات الفضائية

وبالإضافة إلى الإدارة الحرارية، توفر المعاطف الفوقية للهيدروفوبية مجموعة من الفوائد العملية التي تجعلها جذابة للبعثات الفضائية.

• Light weight thermal control:] contrast radiators and heat pipes, a coating adds negligible mass. Every kilogram save reduces launch costs or can be allocated to payload.
• Corrosion protection:] Moisture and humidity during launch pad operations or in humid environments can corrode metal surfaces. Superhydrophobic coatings act as a barrier against water intrusion.
• Self-cleaning capability:] Dust accumulation on solar panels can reduce power output by 20 - 40 % on Mars or lunar missions. A self-cleaning coating can significantly improve energy harvest.
• Biological contamination control:] For planetary protection missions, superhydrophobic surfaces reduce the ability of microbes to adhere and form biofilms, helping meet sterilization requirements.
• Comppatibility with flexible substrates:] Many superhydrophobic coatings can be applied to little films, fabrics, and deployedable structures, expanding their use to solar sails, antennas, and thermal blankets.
• Durability in vacuum:] contrast some polymer-based coatings that outgas volatile compounds, well-formulated superhydrophobic coatings can be designed to have very low outgassing, meeting the stringent requirements of space applications.

التحديات في التطبيقات الفضائية

وعلى الرغم من وعدهم، فإن المعاطف الفائقة الوبائية تواجه عقبات كبيرة قبل أن تستخدم بشكل روتيني في المركبات الفضائية العاملة، وتعالج البحوث هذه المسائل معالجة نشطة.

مدة الخدمة في إطار الرواسب

وقد ينهار الإشعاع الألوترافيولي في الفضاء في العديد من البوليمرات العضوية، إذ يمكن للباحثين أن يطوروا تركيبات مثبتة بالأشعة فوق البنفسجية، التي تشكل أساس العديد من المعاطف الفوقية المغناطيسية، تحت التعرض المطول للأشعة فوق البنفسجية، حيث يفقدون الطاقة السطحية المنخفضة وسلامتهم الهيكلية، ويقوم الباحثون بتطوير تركيبات المعجلة للمركبات باستخدام الجسيمات النانوية والملوث الإشعاعي المسببة الإشعاعية.

Oxygen Erosion

وفي مدار أرضي منخفض، يهاجم الأكسجين الذري مواد كثيرة، فالبوليمرات معرضة للخطر بوجه خاص، حيث تهبط بمعدلات تجعل المعاطف عديمة الفائدة في غضون أشهر، ويجب أن تصمم المعاطف الفوقية الفوبائية بالكيمياء المقاومة للأكسجين أو تحميها طبقة رقيقة من المواد الخاملة مثل السيليكا أو الألمنيا، كما أن الاختبار في مرافق الأكسجين الذري الأرضية أمر أساسي للتكييف.

Cycling Fatigue

وتخضع المركبة الفضائية لآلاف من الدورات الحرارية بين الحرارة الشديدة والبرد، وقد يؤدي هذا التوسع والانكماش المتكرر إلى كسر أو إزالة أو فقدان خصائصها الهيدروفوبية، كما أن عدم التوافق في معامل التوسع الحراري بين المعاطف وسادتها عامل رئيسي.

الاستقرار والإنقاذ

ويمكن أن يلوث تطهير المركبات المتطايرة بصرية حساسة، وخلايا شمسية، ومشعات حرارية، ويجب معالجة المعاطف الفوقية الفموية واختبارها بشكل شامل لضمان استيفاء المعايير E595 أو معايير البرمجيات الأوروبية لقطع الطيف، وتشتمل بعض المعاطف على وصلات متداخلة مع فراغات، وتتجنب البلاستيك أو الإضافة ذات الوزن المنخفض التي يمكن أن تهاجر إلى السطح.

الارتقاء بمحطة الفضاء الفرعية

إن المركبات الفضائية مبنية من مجموعة متنوعة من المواد، منها سبائك الألمنيوم، ومركبات الكربون المحررة، والزجاج، وتحقيق صمود قوي في جميع هذه المناطق الفرعية مع الحفاظ على الظواهر الخارقة للهيدروفيا أمر صعب، ويجري استكشاف طبقات الرواسب، ومعالجات البلازما، وتشغيل السطح لتحسين الترابط دون المساس بأداء المعاطف.

البحوث والتطويرات الحالية

ويتقدم الميدان بسرعة، حيث تبرز عدة اتجاهات واعدة من المختبرات ووكالات الفضاء في جميع أنحاء العالم.

التكتل المغناطيسي الخارق للتصحاح الذاتي

ومن أكثر مجالات البحث نشاطاً طلاءات التطعيم الذاتي التي يمكن أن تصلح الضرر الناجم عن آثار النيتروجين المصغرة أو الخدوش أو تردي الأشعة فوق البنفسجية، وتحتوي هذه المعاطف على كبائن مجهرية أو شبكات مناظير مليئه بالكمبيوتر المائي التي تُطلق عندما تُدمر المعاطف، وبدلاً من ذلك، تستخدم بعض التصميمات الأوعية الدينامية التي يمكن أن تُجمع بعد التمزق.

التدوينات المتعددة الوظائف

ويعمل الباحثون على الجمع بين الظواهر الخارقة للهيدروبكتات وغيرها من الوظائف مثل الخواص المانعة للإحصائيات، أو التدفئة الإشعاعية، أو حتى القدرة على السلوك الكهربائي في مراقبة التصريف الكهروستانتي، كما أن التغليف الوحيد الذي يوفر الإدارة الحرارية، ومقاومة التلوث، والتحلل الثابت من شأنه أن يبسط صنع المركبات الفضائية ويقلل الكتلة، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يوفر التكاثر في مضاعفات الكربونية إلى مصفوفات الفوقية الوبائيات الفوقية.

أساليب الترميز القابلة للتوسع

أما بالنسبة لمعاطف الظواهر الخارقة للهيدرووبين التي يتعين على الصناعة اعتمادها، فيجب تطبيقها باستخدام أساليب قابلة للتقسيم وفعالة من حيث التكلفة، ويجري تحسين التصفيق والتغليف والتجهيز من الطراز إلى السطح إلى السطح، حيث يمكن أن تكون ظروف الرش والرش المتخصصة المحسنة في البلاستيك هي التي توفر رقابة دقيقة على سميكة الطلاء والكيمياء ولكنها تتطلب معدات فراغ.

إصلاح وتجديد

ومن المفاهيم الناشئة القدرة على إحياء ظواهر الظواهر الخارقة للهيدروب خلال بعثة ما، وقد ينطوي ذلك على تطبيق طوبية جديدة بواسطة ذراع آلي أو باستخدام تركيبة البخار لتجديد طبقة الهيدروفوبيك، وستكون هذه القدرة قيمة خاصة بالنسبة لبعثات طويلة الأجل إلى المريخ أو الكواكب الخارجية حيث يتعذر إعادة الإمداد بها، وقد استكشفت وكالة الفضاء الأوروبية مفاهيم لإعادة تصميم المعاطف ذاتياً.

الاتجاهات المستقبلية

ومن المتوقع أن تؤدي المعاطف فوق الهيدروبوبية، التي تتطلع إلى المستقبل، دورا متزايد الأهمية في إدارة حراري المركبات الفضائية وما بعدها.

Lunar and Martian Missions

وبالنسبة للبعثات السطحية على سطح القمر والمريخ، فإن الغبار يمثل مشكلة كبيرة، فالغبار القمري محمل على نحو كهرومغناطيسي، ويلتزم بكل شيء تقريباً، ويمكن أن يحط من سطح السيطرة الحرارية وألواح شمسية، كما أن المعاطف الفوقية المغناطيسية التي تبعث الغبار الرئوي المسمى أيضاً