میکرو گرانش - وضعیت بی وزنی نزدیک به تجربه در فضاپیما و سیستم عامل های مداری مانند ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) - اساسا چشم انداز علم و مهندسی مواد را تغییر داده است. با حذف نفوذ غالب جاذبه، محققان می توانند فرآیندهای فیزیکی قابل توجه را مشاهده و کنترل کنند که بر روی زمین پوشیده یا تحریف شده اند.این محیط منحصر به فرد ایجاد مواد با خلوص برتر، یکنواختی و نوآوری های جدید، تولید سوخت را قادر کرده است که به رشد و توسعه ی قابل توجه تر از دسترسی به مواد تجاری بیشتر می شود.

اثرات بنیادی میکرو گرانش بر شکل گیری مواد

پدیده های مبتنی بر گرانش مانند رسوب، تداخلات و فشار هیدرواستاتیک تقریبا در گرانش خرد حذف می شوند، این عدم اجازه می دهد تا مواد تحت شرایط تحت کنترل انتشار تشکیل شوند، که منجر به ساختارهای همگن تر می شود بدون جریان های تداخل، دما و گرادینت های غلظت قابل پیش بینی تر می شوند، کنترل دقیق بر رشد، تقویت و فاز جدایی جامد، نقص های طبقاتی را می توان با خواص یکنواخت تر، و مواد مشابه تر کرد.

به عنوان مثال، در یک ذوب مایع بر روی زمین، تفاوت های چگالی باعث می شود اجزای سنگین تر به سینک و عناصر سبک تر افزایش یابد، ایجاد inhomogeneities.در میکرو گرانش، این تفاوت ها ناچیز هستند، بنابراین جامد سازی آلیاژی به طور یکنواخت این اصل را اعمال می کند: از کریستال های پروتئین گرفته تا نیمه هادی های پیشرفته، دستاوردهای کیفیت چشمگیر هستند.

مکانیسم های کار: Diffusion، Capillarity و Surface

در میکرو گرانش، تنش سطح و نیروهای کاپیتالی بر نیروهای گرانشی غالب می شوند. [۶] این تغییر به محققان اجازه می دهد تا پدیده هایی مانند Marangoniconvection را مطالعه و بهره برداری کنند - جریان تزریق شده توسط گرادیان در تنش سطح - که اغلب توسط گرانش بر روی زمین پوشیده می شود، این مکانیسم ها می توانند برای ایجاد مواد با میکروساختارهای دقیق کنترل شده، به عنوان مثال، در [FLT] دانشمندان برش گرانشی بیشتر، بدون مواد کامپوزیتی از مواد تشکیل دهنده ای که من را دستکاری می کنند.

رشد کریستال پروتئین: موفقیت پرچم

چرا میکرو گرانش کریستال های برتر را تولید می کند

کریستال سازی پروتئین برای تعیین ساختارهای مولکولی از طریق پراکندگی اشعه ایکس در زمین ضروری است، تداخل ناشی از گرانش باعث اختلال در اضافه شدن منظم مولکول ها به شبکه کریستالی می شود، تولید کریستال های کوچکتر و کم نقص تر، در میکرو گرانش، انتشار غالب، اجازه می دهد کریستال های بزرگتر، کاملاً سفارش داده شده برای شکل دادن به این کریستال های سطح بالا نشان می دهد که اغلب جزئیات قابل مشاهده از نمونه های بنیادی و شناختی بهتر هستند.

برخی از نمونه های قابل توجه عبارتند از: [FLT3]، و membrane پروتئین که ساختارهای حیاتی برای توسعه دارویی. PC] (تاین) تولید کریستال های تولید شده است.

اثرات تجاری و پزشکی

شرکت های داروسازی در کریستال سازی پروتئین های کوچک گرانشی از طریق امکاناتی مانند آزمایشگاه ملی ایالات متحده سرمایه گذاری کرده اند.شرکت هایی مانند Merck و لیلی آزمایش های ایستگاه را برای بهبود تحویل دارو انجام داده اند و اثربخشی نتیجه گیری می کند که توسعه بیماری های التهابی را تسریع کرده است.

فلزات و آلیاژها: قوی تر، یکنواخت تر

متالورژی در میکرو گرانشی آلیاژ با خواص بی سابقه ای را بدون جداسازی گرانشی، عناصر آلیاژی به طور مساوی توزیع می کنند، از بین بردن گرادیان ترکیب شده است که ریخته گری های زمینی را تضعیف می کند، این همگن به بهبود قدرت مکانیکی، مقاومت خستگی و عملکرد خوردگی تبدیل می شود.

مطالعات موردی در آلیاژهای فضایی

  • آزمایش های رشد ناهمگنی: بر روی ISS برای مطالعه الگوهای تثبیت کننده عمل می کند.نتایج مدل های آگاهانه ای برای بهبود فرآیندهای ریخته گری بر روی زمین، کاهش متخلخل و افزایش قدرت عملکرد استفاده می کنند.
  • در ساخت فضایی عینک فلزی فله: عینک فلزی فاقد ساختار کریستالی، ارائه قدرت استثنایی و کشش، میکرو جاذبه کریستالیزه کردن در طول خنک سازی را کاهش می دهد، که باعث می شود نمونه های بزرگتر و یکنواخت تر.
  • پر کردن و سواستن در میکرو گرانش: بدون جریان گرانش، فلزات پرکننده به طور پیش بینی برانگیز گسترش یافته، منجر به مفاصل قوی تر برای هر دو سخت افزار فضایی و کاربردهای بالقوه زمین می شود.

آزمایشگاه علوم فضایی اروپا در ISS درک ما از فرآیندهای جامد سازی را به طور مستقیم تغذیه به تکنیک های ریخته گری صنعتی پیشرفته است.

پلیمر ها و کامپوزیت ها: ساختارهای میکرو را به شکل کافی تنظیم می کنند

پردازش پلیمر در میکرو گرانش اجازه می دهد تا برای فوم های یکنواخت بیشتر، کامپوزیت های فیبر تقویت شده، و غشایها. روی زمین، گرانش باعث حباب در فوم برای افزایش و زغال سنگ، ایجاد اندازه های ناهموار متخلخل، در میکرو گرانش، حباب ها به طور مساوی پراکنده باقی می مانند، تولید فوم با عایق های برتر و خواص ساختاری، به طور مشابه توزیع تقویت فیبر در کامپوزیت ها، افزایش قدرت و انتقال کلی کنترل می شود.

مواد جدید مانند [FLT 1] سود از پردازش میکرو گرانش است، Aerogels فوق العاده روشن، جامد بسیار متخلخل با عایق حرارتی استثنایی، تولید زمین اغلب از فروپاشی گوگرد تحت گرانش رنج می برد؛ میکرو گرانش اجازه می دهد برای بزرگتر، یکنواخت تر، یک مولکول که می تواند در عایق های حرارتی، ذخیره سازی انرژی هوافضا و ذخیره سازی انرژی استفاده شود.

مواد نوری و الکترونیک

میکرو گرانش رشد کریستال ها را برای اپتیک و الکترونیک با نقص های بسیار کمتری فراهم می کند.[۱] برای مثال، کادرمیوم روی uride (CZT) کریستال های مورد استفاده در آشکارسازهای پرتو گاما مستعد نقص از قابلیت های یکپارچه هستند. CZT که در ISS رشد کرده اند به طور قابل توجهی بهبود خواص حمل و نقل، منجر به اسکن مواد حرارتی بیشتر از نوروکتورهای نوروۀ نورو، به طور مشابه تصویربرداری الکتریکی.

[ZEUS] (Zonal Electrophoresis در فضا) آزمایش و مطالعات مرتبط پیشگام جدایی از بیومولکول ها و نانوذرات، باز کردن مسیرهای به پوشش های نوری جدید و مواد سنسور.

تاثیر بر تولید و مهندسی زمین

دانش انتقال یافته از تحقیقات میکرو گرانشی مهندسی مواد زمینی را به روش های ملموس تغییر می دهد. [۱] درک بهبود یافته از جامد سازی منجر به قالب های ریخته گری بهتر برای تیغه های توربین ، کاهش نرخ های ضایعات و افزایش بهره وری موتور توسعه یافته از آزمایش های فضایی در حال حاضر برای بهینه سازی جامد سازی (FLT:2 جهت یابی جامد ، بهره وری مستقیم، و تولید برق و هوافضا استفاده می شود.

علاوه بر این، تکنیک های اصلاح شده در میکرو گرانش برای کریستال های پروتئین در حال رشد بر روی زمین از طریق روش های ضد انعقاد و کریستال سازی مبتنی بر هگل ، تقلید از محیط نفوذ تحت فشار برای بهبود کیفیت کریستال در تنظیمات آزمایشگاهی.

آینده: گسترش مرز

ایستگاه های فضایی تجاری و ساخت Hubs

با ظهور ایستگاه های فضایی تجاری از شرکت هایی مانند فضا ، ، و [FLT: Sierra Space ، دسترسی به میکرو گرانش آماده تبدیل شدن به روال تولید اختصاصی است که اجازه می دهد تا تولید مداوم مواد کم نور بالا، به عنوان یک تخصص و کاهش دهد.

استفاده از منابع داخلی (ISRU) و مهندسی مبتنی بر فضا

ماموریت های طولانی مدت به ماه و مریخ نیاز به تولید داخلی از مواد محلی دارند.[۳] تجارب میکرو گرانشی توسعه چاپ 3D با regolith ، فلز بازیافت [FLT3] و تکنیک های مسدود کننده [FLT5] که در حال کار بر روی این جاذبه های حیاتی برای ایجاد حضور حیاتی هستند.

مواد برای فضا Itself

شرایط سخت فضا - تابش، دوچرخه سواری حرارتی، میکرومترها - مواد تقاضا که می توانند در برابر شدید مقاومت کنند. تحقیقات گرانش میکرو ایجاد کامپوزیت با سپر تابشی مناسب، پلیمرهای خود شفا بخش و مواد مدیریت حرارتی بسیار کارآمد را قادر می سازد.

چالش ها و تلاش های همکاری

علی رغم وعده، موانع قابل توجه باقی مانده است. [۵] هزینه پرتاب مواد به فضا و بازگشت محصولات به زمین هنوز هم بسیاری از آزمایشات را محدود می کند، مشکلات عملی تجهیزات عملیاتی در میکرو گرانش - مایعات دست زدن، جلوگیری از آلودگی و حفظ کنترل دقیق دما - نیاز به مهندسی و اتوماسیون بین المللی ضروری است؛ سازمان هایی مانند NASA [F [F] [F [F:4:4LT3]

برنامه هایی مانند آزمایشگاه ملی ایالات متحده به طور فعال پیشنهادات تحقیقاتی را از دانشگاه و صنعت درخواست می کند، موانع آزمایش را کاهش می دهد. ] آزمایشگاه علوم مواد شیمیایی (MSL) همچنان به تولید اطلاعات ارزشمند در مورد جامد سازی و رشد کریستال ادامه می دهد.

نتیجه گیری: یک عصر جدید برای نوآوری های مادی

گرانش میکرو بسیار بیشتر از کنجکاوی پرواز فضایی است - این ابزار قدرتمند برای تجدید نظر در مورد چگونگی ساخت مواد است. فقدان گرانش فیزیک بنیادی را نشان می دهد که می تواند برای تولید فلزات بهتر، کریستال های خالص، پلیمر های یکنواخت بیشتر و کامپوزیت های پیشرفته در حال حاضر در زمین - در تحقیقات پزشکی، بهره وری تولید و عملکرد محصول - تنها با توسعه زیرساخت های اکتشاف فضایی جدید و مشاهده مواد فضایی جدید، تولید شده است.