האתגר הקריטי של ניהול הירומל בחללcraft

Spacecraft פועל בסביבה המוגדרת על ידי קיצוניות.באורך כדור הארץ נמוך, לוויין עשוי לעמוד בפני קרינה סולארית ישירה מעל 1,200 W/m2 בצד השמש שלה, בעוד צד צלומטים הדביקים לטמפרטורות ליד -200 מעלות צלזיוס, כאשר משימות לדחוף לחלל עמוק - אל מאדים, חגורת האסטרואיד, או מעבר - אלה נדנדה תרמיים הופכים אפילו חמורים יותר.

בקרת חלל מסורתית מסתמכת על שילוב של שיטות פאסיביות ופעילות: קורנטורים ששופכים חום עודף, רב שכבתיות בשכיבות בידוד, צינורות חום המחמירים אנרגיה תרמית, ומחממים ששומרים על טמפרטורות הפעלה מינימליות. המערכות הללו עובדות, אך הם מוסיפים מסה משמעותית ומורכבות.כל קילוגרם של חומרה תרמית הוא קילוגרם שיכול היה להיות מוקצה לשלם, דלק, או מבנה.

תכונותיו הייחודיות של Graphene

התגלה בשנת 2004 על ידי אנדרה גייים וקונסטנטין נובולוב, גרפן מורכב מאטומי פחמן מסודרים בלחיצות דבש דו-ממדית של קונסטנטין ההתנהלות התרמית שלו נמדדת בקרוב להיות בטווח של FLT:04,000 ל-5,000 W/mKirFLT 1 עבור דגימות חום מפועממות - הרבה יותר גבוה (appx / m) ואפילו מתפתח בגודל של חום יעיל יותר (kun) ו-2,000 רגלים (K) גבוה יותר מ-kuntune) ו-R) מ-R2x2x2n) .

מעבר להתנהלות הגולמית, גרפן מציע יתרונות תרמיים נוספים קריטיים עבור יישומי חלל:

  • (FLT:0) העברת חום אסטרונוטרופית: FLT:1 Heat נוסע ביעילות רבה במטוס אבל ניתן לכוון להיות מחלחל דרך היקנות על ידי שליטה על הכיוון של פתיתי גרפן במפרקים.
  • (ב) ⁇ :0) אי-אפשרות: ⁇ :1 (הרשים אינפרא אדום של גראפן ניתן להתאים באמצעות doping או הנדסת זנים, המאפשר קרינה תרמית סלקטיבית - יקר ערך עבור דחייה ושימור חום.
  • (FLT:0)Low חום קיבולת נפח יחידה:FreaLT:1) סרטי גרפן דק מגיבים במהירות לשינויים בטמפרטורה, אשר שימושי לניהול תרמי טרנסינט במערכות כוח הדופק.

תכונות אלה אינן רק אקדמיות.הם מתרגמים ישירות ליתרונות הנדסיים: רצועות תרמיות דקות, קורנטורים קלים יותר, ורגולציה טמפרטורה תגובתית יותר - כולם ללא הקרבת ביצועים בוואקום או תחת קרינה.

השוואת Graphene לאמנת חומרים שליטה תרמית

קופר ואלומיניום

מוליכות תרמית של קופר (approx. 400 W / mK) ואלומיניום (approx. 237 W/mK) עשו להם אפשרויות סטנדרטיות עבור מפיץ חום ורצועות תרמיות בחלליות. עם זאת, צפיפותם (8.96 g/cm3 ו 2.70 g/3, בהתאמה) מוסיפה מסה ניכרת. A גרפן-copper כי להחליף כמות גדולה יכול להיות יותר מאשר נפח נחושת, עודף משקל יציב, בעוד פחמן-פחמן, בעודופחמן, עודף של פחמן-פחמן, בעודוריד, עלול לסבול יותר, עודף משקל יציב של פחמן-פחמן, בעודו של פחמן-פחמי, בעודו של פחמן-פחמיטרמין.

יהלומים ופחמן

יהלום סינתטי (approx. 2,000 W/mK) מציע מוליכות מעולה אבל יקר, קשה מכונה, ו- חץ פחמן לספק העברה טובה חום אבל הם בדרך כלל עבה וחסר קשיחות מבנית. קצף מבוסס Graphene או aerogels, מצד שני, משלב מוליכות תרמית גבוהה עם גמישות מכנית ודחיסות נמוכה מאוד (כ 1- 10 מ"ג / 3).

פחמן סיבים ו- CNT Composites

סיבים פחמן וננוtube פחמן (CNT) מואצים לשימוש לניהול תרמי קל משקל. Graphene לעתים קרובות outperforms CNTs ב מוליכות תרמית בשל פחות פגמים בין-גזעיים לכל מסה, והוא יכול להיות מיוצר בצורות מדרגיות כגון oxide (GO) מופחת לגרף ננופליות (GNPs). אלה nanoplatelets ניתן מפוזרים בפולימרים, epies, או מתכות ספציפיות כדי ליצור תאים (T) כדי ליצור חומרים מותאמים לממשקים (T) עם ביצועים מותאמים לממשקים (T) מותאמים לממשקים עם ביצועים ספציפיים (T) עם ביצועים מותאמים לתפקודים (T) מותאמים לתפקודים (T) מותאמים לתאים (T) מותאמים לתפקודים (T) מותאמים לתפקודים (גנופלסטיקמי מתכת (גנופלסטיקים (GNPs).

ייצור Graphene לחלל: Scalability ואיכות

אחד המכשולים העיקריים לאימוץ נרחב כבר מייצרת גרפן של איכות מספקת ועקביות בקנה מידה. ⁇ כימי Vapor deposition (CVD) מניבה כמויות גבוהות, גדול-area מונוlayer מתאים למחקר ונישה אבטיפוס, אבל זה נשאר יקר ודורש תהליכי העברה באופן פעיל שיכול להציג פגמים. לחלופין, פיזור מבוסס פתרון של גרפיטי לתוך גרף חמצן ומפיקה לאחר מכן הפחתה של עלויות מצטברות, אם כי הוא גבוה יותר, אם כי הוא מסוגל להציג פגמים מסחריים יותר, אם כי הוא גבוה יותר, אם כי הוא מסוגל להציג פגמים.

ההתפתחויות האחרונות בהנדסת אלקטרו-כימי, Shear exfoliation, ו-Hydale חימום Joule התקדמו לקראת ייצור בקנה מידה רחב של חברות גרפן ללא פגם, כמו Graftech, XG Sciences, והיידייל מפתחים תהליכים בקנה מידה תעשייתי.נאס"א וסוכנות החלל האירופית (ESA) הם גם מימון לייצור חומרים המבוססים על גרפן, אשר יכול למנף מיקרוגריבי לייצור סרטים חמים של סוכנות החלל של נאס"א 1.

יישומים ספציפיים של Graphene ב Spacecraft Thermal control

חומרים ממשקיים (TIM)

(החום חייב לעבור מרכיב אלקטרוני חם (למשל, מגבר כוח או מעבד) לשקע חום או רדיורטור.טיIM מסורתיים עשויים מטעמים, חומרי שינוי שלב, או מסולפי מתכת לעתים קרובות מידרדרים מתחת לוואקום או לאחר רכיבה תרמית. Graphene-TIMs מבוסס TIM, המורכב מפיתים גרף אנכית או גרפיטיממים, יכול לשמור על חום נמוך יותר מ-F2F2D) לפני אימון קצר לאחר גרף:

Thermal Fits ו- Braids

רצועות תרמיות גמישות משמשות כדי להעביר חום על פני ממשקים נעים, כגון בין אנטנה gimballed לבין צ'אס קבוע. Graphene מבוסס סוללים או פחמן-פרי-מחזקים גרפן מורכב יכול להחליף רצועות מתכת עם מסה נמוכה וחום העברה. Prototype רצועות נייר גרפן הוכיחו התנהגות תרמית דומה אלומיניום אבל בחצי הדחיסות שלהם גם להפחית את הלחץ מכני.

רדיטור מתקפלים וסרטים

קורנטורים חלליים פולטים חום כקרינה אינפרא אדום.הדיאטור האידיאלי יש הרשאות אינפרא אדום גבוהות (ε > 0.9) אבל אבסורד סולריות נמוך (α < 0.2) צבע לבן מסורתי (למשל, AZ-93) להשיג זאת אך יכול להידרדר יותר זמן מחמצן אטומי וקרינת UV.

צינור חום ו- Loop Heat Pipe Wicks

צינורות חום הם מכשירים פסיביים המשתמשים בשינוי שלב של נוזל עבודה כדי להעביר חום.מבנה הוויקוויקילי שמושך נוזל באמצעות פעולה capillary הוא קריטי. Graphene קצף ו aerogels יכול לשמש כצמחים ביצועים גבוהים בשל הנפיחות הגבוהה שלהם, מוליכות תרמית טובה, ו אינרציה כימית. הם יכולים גם להיות משולבים עם קיר צינור חום כדי להפחית את החוזק.

המונחים: Structural thermal Management Composites

אחד הכיוונים המבטיחים ביותר הוא פיתוח מבנים רב-תכליתיים: לוחות נושאי עומס אשר גם מטפלים בתקנה תרמית. Graphene nanoplatelets ניתן מפוזרים ב epoxy או cyanate ester resins המשמשים עבור לוחות דבש מורכבים.זה יוצר חומר אשר בו זמנית מספק כוח מכני, רטט, ו in-plane מוליכות תרמית מבנים כאלה יכול לחסל פאנלים נפרדים, להפחית את המורכבות הבסיסית של אלקטרוניקה, ולהוביל את האלקטרוניקה פנימית.

בדיקת חומרים Graphene בסביבת החלל

החלל אינו רק ואקום; הוא מלא בחמצן אטומי, קרינה אולטרה סגולה, חלקיקים טעונים (פרוטונים, אלקטרונים), ומיקרו-סטרואידים.כל חומר חייב לשרוד את הלחצים האלה ללא משפיל.

  • התנגדות חמצן:0 (Atomic חמצן התנגדות: FLT:1 גרף פריסטין הוא במידה רבה לא מושפע חמצן אטומי, בניגוד לפולימרים רבים. כמה צורות תחמוצת גרפן עשוי להיות פגיע יותר, אבל מופחת GO שומר התנגדות טובה.
  • (FLT:0)UV יציבות: 1FLT 1 האג"ח החזק של Graphene C-C אינו נשבר בקלות על ידי פוטונים UV. חשיפה UV לטווח ארוך יכול לגרום קצת חמצון של הקצוות, אבל זה יכול להיות מופחת על ידי ציפויים.
  • (FLT:0) קשיחות של ההרחבה: FLT:1hil בעוד ionizing קרינה יכול ליצור פגמים בגרפן (vacancies, interstitials), פגמים אלה יכולים למעשה לשפר תכונות מסוימות, כגון מוליכות תרמית חוצה כוכבי הלכת.

כמה ניסויים כבר טסו לתחנת החלל הבינלאומית (ISS) כדי לבדוק חומרים גרפיים של נאס"א במימון "Graphene Demonstrator" (חלק מניסוי תחנת החלל הבינלאומית, MAE) חשפו סרטים המבוססים על גרפן ומרכיבים לסביבה החלל במשך יותר משנה ניתוח של טיסה הראה ירידה מינימלית של תכונות תרמיות של סוכנות החלל האירופית "GraepheneX" הוא פיתוח גרף קריטי של מעבדת החלל:0-Fenes שליטה על פני השטח של מעבדת החלל הבינלאומית של מעבדת החלל הבינלאומית של מעבדת החלל הבינלאומית (GCO-Fairected מעבדת הבקרה של מעבדת החלל הבינלאומית) ו-Fairected מעבדת הבקרה של מעבדת הבקרה של מעבדת הבקרה של מעבדת החלל הבינלאומית של מעבדת החלל של מעבדת החלל של מעבדת החלל של מעבדת החלל של מעבדת החלל של מעבדת החלל האירופית:0ESA הראה ירידה מינימלית's: 0-Fenes Defen-Fair מעבדת החלל של חומרים גרף 1Fenes: 0GCO-Fene מעבדת החלל של חומרים גרף 1Fair מעבדת החלל הראתה ירידה מינימלית של חומרים גרף 1Fair מעבדת הבקרה של חומרים סוללת בקרה סוללת בקרה ESA הראה ירידה מינימלית של חומרים סוללת בקרה סוללת בקרה סוללת בקרה סוללת בקרה סוללת בקרה סוללת

חומרים היברידיים: סינרגיות עם ננומטריים אחרים

הפתרונות הטובים ביותר לשליטה תרמית עשויים לבוא משלב גרפן עם חומרים מתקדמים אחרים. Boron nitride nanotubes (BNNTs), לדוגמה, יש מוליכות תרמית גבוהה (עד 3,000 W / mK) והם insulating חשמלית - נכס משלים כאשר בידוד חשמלי הוא צורך.Gphene-BN יכול לטפל בחום תוך מניעת מעגלים קצרים באלקטרוניקה ארוזה, בדומה לצורות היברידיות של CNT-CPUDDR.

החוקרים גם חוקרים חומרים של שינוי בשלב של גרף (PCMs) על ידי ניצול קצף גרפן עם שעווה פרפין או מחשבי PCM אחרים, יכולת אחסון חום של PCM משולב עם התגובה התרמית המהירה של גרפן. תרכובות כאלה יכולים לספוג ספייק חום מציוד כוח גבוה, ולאחר מכן לשחרר אותו לאט, חלקה תנודות טמפרטורה.

אתגרים: אינטגרציה, איכות ועלויות

למרות ההבטחה, כמה מכשולים נשארים לפני מערכות בקרה תרמיות גרפן להיות סטנדרטי בחלליות.ראשון, שילוב עם ארכיטקטורות חלל קיימות: סרטים גרפן חייב להיות מחובר או גדל על תת-שכבות סטנדרטיות (אלמינום, טיטניום, מורכב) מבלי להציג עמידות תרמית בין-גזעית גבוהה.שני, כישורים בחלל דורשים בדיקות נרחבות - אופניים, רטט, קרינה, גזים - אשר יקר וזמן מצטבר עבור גרפים גבוהים של שטח גרפים (בשטחיים).

עם זאת, המגמה היא חיובית.עלויות הייצור עבור גרפן צנחו על ידי הזמנות של גודל בעשור האחרון, כמו טכניקות ייצור לשפר.מפת דרכים מגביות Graphene Flagship ואנליסטים בתעשייה לחזות כי עד 2030, מוצרים תרמיים המבוססים על גרפן יהיו בעלי עלות גבוהה עם חומרים מסורתיים עבור יישומי חלל.בינתיים, לווינים קטנים יותר (CubeSats ו קטנטנים קטנים) עשויים לאמץ גרפן מוקדם יותר כי פני השטח שלהם פחות, הם זקוקים פחות חומר קומפקטי יותר, ולכן הם זקוקים למחסום פחות קל יותר, פחות קל יותר, ולכן הם זקוקים למשטח נמוך יותר, פחות קל יותר, פחות קל יותר, ולכן הם זקוקים לשחיקטיבי, פחות קל יותר, פחות קל יותר, יותר, פחות קומפקטי יותר, יותר, עבור מערכות קומפקטי יותר, פחות קומפקטי יותר, פחות קומפקטי יותר, פחות קומפקטי, עבור מערכות קומפקטי יותר, 000.

אפשרויות לעתיד: לקראת Graphene-Dominant Thermal control

במבט קדימה, גרפן יכול לאפשר פרדיגמות בקרה תרמיות חדשות לחלוטין.לדוגמה, לוחות תרמיים הניתנים להגדרה מחדש עם אובייקטיביות טונהלנית חשמלית יכול לשלוט באופן פעיל בטמפרטורת חלל ללא תנורים או מחצני תנועה.שלבי גרפן שלב יכולים לפעול כמו סוללות תרמיות, אחסון שלבים חום במהלך השמש ושחרורו במהלך הליקוי.במשימות אינטרסלמריות, שבו טמפרטורות מבוכות נדרשות עבור, זעקות המבוססות על חום גרף יכול לשמש יכול ליצור קשר חום תרמילא יכול לתקשר עם מכחול קר.

יש גם עניין בשימוש גרפן כעוגן תרמי עבור חיישנים קוונטיים ואלקטרוניקה superconducting, הדורש טמפרטורה יציבה מאוד ליד אפס מוחלט. כי מוליכות תרמית של גרפן נשאר גבוה אפילו בטמפרטורות נמוכות (שם מתכות נוטות לרדת), זה יכול ביעילות לחבר גלאים רגישים כדי לבכות.

בסופו של דבר, השילוב של גרפן לתוך חלליות שליטה תרמי תואם עם דחיפה רחבה יותר לעבר עיצוב רב פונקציונלי, מונע חומרים.על ידי החלפת מערכות תרמיות, מבניות ואפילו תת-מערכת חשמל עם חומר חד-פעמי יחיד, חלליות יכול להיות בהיר יותר, אמין יותר, ומסוגל יותר.כפי שתעשיית החלל מחבקת לווינים קטנים, מטענים בעוצמה גבוהה, ומשימות ארוכות-מוח, גרף תרמי מציע נתיב לא רק ניהול מהפכני יותר.

משאבים חיצוניים לקריאה נוספת

  • [15] NASA Thermal Management Technology Area
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,Graphene Flagship - Space ApplicationsssveFLT 1