תפקיד Aerogels בחללcraft Thermal Insulation

חלליפט ניצבת אחת מהסביבות התרמיות התובעניות ביותר הידועות להנדסה.כרכב עוזב את האווירה של כדור הארץ, עליו להתמודד עם הריק של החלל, שם הטמפרטורות יכולות להתנדנדנד ממאות מעלות צלזיוס באור השמש הישיר לקור מבוהג עמוק בצל.הגנה על אלקטרוניקה עדינה, מכשירים מדעיים, ותושבי חוץ מקיצוניים אלה מסתמכים על בידוד תרמי במשך עשרות שנים, הרבה יותר ויותר, אך הם מספקים שמיכות תרמילי מים רגילים, אך הם בעלי טווחים, אך הם בעלי טווחים, אך ורקמות סטנדרטיים, אך הם בעלי טווחים, אך ורקמים סטנדרטיים, אך ורקמים, אשר מציעים חומרים סטנדרטיים, אך ורקמות, אך ורקמות, אשר מספקים חומרים סטנדרטיים, אך ורקמות, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הם בעלי טווחים, לעומת זאת, יותר ויותר, לעומת זאת, הם בעלי טווחים, אשר מספקים חומרים סטנדרטיים, לעומת זאת, לעומת זאת, יותר ויותר, יותר ויותר, לעומת זאת, הם בעלי טווחי ראייה גבוהה יותר ויותר גבוה יותר ויותר גבוה יותר ויותר, אך הם בעלי טווחי משקל תרמילי מים סטנדרטיים, כמו כן, אשר מציעים חומרים סטנדרטיים, כמו כן, כאשר חומרים סטנדרטיים, כמו כן,

מה הם Aerogels?

אירובים הם חומרים סינתטיים שמקורם בג'לים שבהם מרכיב הנוזל הוחלף על ידי גז.התוצאה היא מוצקה עם צפיפות נמוכה מאוד - לעתים קרובות כמעט 1.5 פעמים צפיפות האוויר - ורשת דמוית ספוג של נקבוביות ננומטריות.הגל הראשון הופק בתחילת שנות ה-30 על ידי סמואל קסלר, אשר הסיר את הנוזל מג'ליקה באמצעות פתיר מתכתיבית, הם כמעט 90% ממולקולות אלה, כולל מגנטיות מתכת, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זה נעשה עם תכונות אלה הם גורמים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של מגנטיות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זה נעשה עם תכונות פחמן,

סיליק ארגלס הם הסוג הנפוץ ביותר המשמש בחלליות.הם הם translucent, כמעט ללא משקל, ויכול לעמוד בטמפרטורות עד 650 מעלות צלזיוס (1200 מעלות צלזיוס) באווירה לא אינרטית. אחרים, כגון פחמן או פולימרן או פולימרן, יכול להתמודד עם טמפרטורות גבוהות יותר או לספק פונקציונליות נוספת כמו מוליכות חשמלית.

מדוע Aerogels Excel for Spacecraft Insulation

ביצועים חריגים

היתרון העיקרי של aerogels הוא מוליכות תרמית נמוכה מאוד. סטנדרטי סיבים או בידוד קצף יש התנהגות סביב 0.03 ל 0.04 W / mK. Aerogels יכול להשיג ערכים נמוך כמו 0.012 W / mK בתנאים מצופים, ואפילו נמוך יותר באבקת אינפרא אדום, שבו הדבקה חסרה, הביצועים insulation תלוי כמעט לחלוטין על התנהגות מוצקה ופיזור אווירי חום יותר.

עיצוב משקל Light Weight

כל קילוגרם של מסה הוסיף לחללית עולה משמעותית של שיגור - לעתים קרובות עשרות אלפי דולרים. Aerogels מציעים בידוד עם צפיפות נמוכה כמו 0.02 גרם / CM3, לעומת 0.1–0.3 גרם / 3 עבור קצף קונבנציונלי. חיסכון המוני זה הוא קריטי עבור לווינים קטנים, בדיקות חלל עמוק, וכל משימה שבה כל דקדוק.

עמידות לקרינה וטמפרטורות קיצוניות

Aerogels הם עמידים מטבעם לסביבה הקרינה הקשה של החלל. בעוד פולימרים אורגניים עשויים לחדור תחת חלקיקים באנרגיה גבוהה, סיליקה ופחמן אווירל הם יציבים.הם גם לשמור על שלמות מכנית שלהם על פני תנודה תרמית רחבה - מ -200 מעלות צלזיוס ליותר מ -500 מעלות צלזיוס - ללא הירקדות או התכה. כאשר הם מחלחלים לתוך מטבוליטוגרפיה מחודשת (למשל, גמישים, הם יכולים לשלב עם גירויים יותר, עם גירויים, עם גירויים חזקים יותר, עם גירויים, עם גירויים מורכבים, עם גירויים מורכבים, עם גירויים, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים, הם יכולים לשלב יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים, עם גירויים, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, עם גירויים מורכבים יותר, כאשר הם יכולים לשלב את הגלים מורכבים יותר, 000.

גמישות ב- Form Factor

Aerogels אינם מוגבלים לוחות קשיחים או בלוקים.הם יכולים להיות מיוצרים כמו סרטים, שמיכה, ציפויים, או אפילו כמילוי גרפינולרי. גמישות זו מאפשרת למהנדסים לבודד קוי דלק מורכבים - קווי דלק מחוסנים, חפיסות, או המפרקים של מערך סולארי מבוזר.Spray-on aerogel פתרונות מפותחים עבור יישום מהיר עבור פני השטח גדולים, כגון קירות בית הגידול הפנימי של מבנים.

יישומים בולטים במשימת החלל

Insulating מכשירים מדעיים

אחד השימושים המוקדמים והמפורסמים ביותר של אווירגליל בחלל היה על חלקיקי אבק נאס"א (FLT:0Stardust MissionFLT:1 (1999–2006), Stardust שנאספו באנטריים וכוכביים באמצעות מגש אספנים המוטבע עם אחליק אנגל.ה- aerogel האט ולכד חלקיקים היפרביות ללא נזק, כמו גם אנתרופולוגית וגם תרמיים בניתוחים של חומר זה יכול היה למזער את ההשפעה של מעבדה.

לאחרונה, המעבדה למדע (Curiosciosities) 1 ו-FLT:2Mars 2020 (Perseverance) 3rovers להשתמש insulation מבוסס aerogel בסוללה שלהם ואלקטרוניקה סגורה:2Mars 2020 (Perseverance) veFLT 3) יכול לרדת ל-900 מעלות צלזיוס, במיוחד כדי להבטיח את הטמפרטורות מהירות של חשמל גבוה יותר.

קירות חלל ומפעלים

תחנת החלל הבינלאומית (FLT:0) מפעילה בידוד רב-שכבות (MLI) לשליטה תרמית חיצונית, אך מחקרים ראשוניים מעריכים ששמיכות מבוססות אווירל כדי להפחית את המסה ולשפר את הביצועים עבור מודולים עתידיים.תחנות חלל מפותחות באופן פרטי, כגון אלה תחת עיצוב של חלל Axiom או מרטין, שוקלים מחסנים מורכבים עבור הפגזים שלהם, אשר ניתן לשלב עם יכולת הפעלה יחידה.

חלל חם אינסטלציה

אסטרונאוטים על פעילויות חוץ-מחדש (EVAs) עומדים בפני תנודות תרמיות קיצוניות: עד 120 מעלות צלזיוס באור השמש ו -160 מעלות צלזיוס בצל. חליפות נוכחיות להשתמש בשכבות מרובות של בדים מצופים ומפרשים, אבל אלה הם חוקרים רב-עוצמה ומוגבלים במרכז החלל של נאס"א פיתחו שמיכה אירובית גמישה שיכולה להיות מעוות לשכבות אבטיפוס.

הגנה על אדג'טים Cryogenic

אתגר עתידי לנסיעה בחלל עמוק הוא אחסון מדחף מבוהג (מימן נוזלי, חמצן, מתאן) במשך חודשים או שנים.הפסדים של בויל-off מן הדלפות תרמיות הם מכשול גדול. Aerogels, במיוחד אלה עם שלבים נמוכים וציפוי רפלקטיביות גבוהה, נבדקים כמשימות בוזגניבה.

אתגרים והגבלות נוכחיות

פשטות מכנית

ב-Brothers aerogels הם בשפע מטבעם הם יכולים לפצח או להתפורר מתחת לעומסים ברייליים או מתפתלים. בעוד זה מקובל על בידוד נייח בתוך חללית, זה מגביל את השימוש באזורים נגישים או רוטטים.כדי להתגבר על זה, יצרנים מחזקים את האווירגלים עם סיבים - זכוכית, פחמן, או קרמיקה. אלה מתחזקים התנהגות תרמית נמוכה תוך שיפור השלמות מבנית עבור אספן, לדוגמה, יכול עדיין לייצר ג'ל רגיל, והוא עדיין יכול להיות גמיש, והוא עדיין יכול להיות מנקה, והוא עדיין יכול להמשיך עם כלים.

עלויות ייצור גבוהות

תהליך הייבוש העל-ביקורתי המשמש לייצור רוב ה-אירוgels הוא אנרגיה-intensive ו- אצווה, המוביל לעלויות של מאות דולרים למטר רבוע עבור חומרים מוסמכים ברמה חלל, בעוד כמה יישומים, כגון תיבות אלקטרוניות לווייניות, יכולים לספוג את העלות הזאת, שימוש בקנה מידה גדול (למשל, קירות בית גידול) הוא כיום אסרטיבית.התקדמות בתהליכים יבשים וייצור אוטומטי הם צמצום עלויות של תעשיות חלל נמוכות כמו דלק, כמו כלכלות בעלות נמוכה, כמו דלק, כמו כלכלות מהירות מסחר.

התנהגות Hygroscopic ו- Contamination

סרגלי סיליק הם הידרופילי ויכולים לספוג לחות מהאוויר, אשר מקטין את התכונות המבודדות שלהם ומגדיל את המשקל. עבור יישומי חלל, הם חייבים להיות חתומה או מטופלים עם ציפוי הידרופובי.זה מוסיף מורכבות ונקודות כשל פוטנציאליות. פחמן ולחות פולימר הם באופן טבעי הידרופובי יותר, אבל בדרך כלל יש להם מוליכות תרמית גבוהה יותר.

הגנה מחדש על כניסה

אירוביים לבדם אינם יכולים להתמודד עם החימום הקיצוני במהלך הכניסה מחדש לאטמוספירה של כדור הארץ, שבו טמפרטורות יכולות לעלות על 2000 מעלות צלזיוס. עם זאת, הם משולבים במערכות הגנה תרמיות (TPS) כמו בידוד אחורי.לדוגמה, שכבת אירובית אחליק מאחורי מגן חום פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן-פחמן יכול להפחית את הטמפרטורה מנוסה על ידי המבנה.זה נבדק על ניסויים תת-ביטל והוא תחת שיקולים עבור קפסולות.

חידושים וסיכויים עתידיים

פולימר ופולימניידי Aerogels

מרכז המחקר גלן של נאס"א חלוץ פולימד גליגלים גמישים, מתקפלים ואפילו גמישים.חומרים אלה יכולים להיות מתקפלים במהלך ההשקה ופורסים במסלול ללא נזק.הם גם מציגים מוליכות תרמית נמוכה יותר מאשר קצף רבים והם יציבים עד 400 מעלות צלזיוס. aerogels כאלה נחשבים לפרוס מבנים כמו שומות ונופחים בתי גידול.

חברת Aerogel Systems

שילוב של aerogels עם חומרים שינוי שלב (PCMs) כגון שעווה paraffin יוצר מערכת תרמית כפולה פונקציונלית: aerogel מספק בידוד מתמשך, בעוד PCM סופג ספיגים חום transiententing.זה יקר עבור חשמל אלקטרוניקה המייצר התפרצויות של חום פסולת. גישה מורכבת נוספת משתמשת לוחות דבש מבוזרים, המספקים עומס מבניים בעלי יכולת חלופית עם חומרים מרובים ותפקודי.

ייצור תוספת של Aerogels

הדפסה תלת מימדית של aerogels היא שדה מתפתח.חוקרים פיתחו דיוקים המכילים מבשרי אווירוגל שניתן להדפיס לתוך גיאוגרפיה מורכבת - הפעלת ערוצים, מבני צמיגים, או חלקי מתאים מותאם אישית.לאחר שנרפא, החלק המודפס שומר על תכונות אווירול מלא.זה יכול לאפשר ייצור של רכיבים בידוד בחלל, באמצעות חומרי גלם מכדור הארץ או אפילו ממכרה חלקית כדי להפחית באופן משמעותי את דרישות שטח.

אינטגרציה עם Active Thermal control

משימות עתידיות עשויות לשלב בידוד פסיבי של אווירול עם מערכות דחיית חום פעיל.לדוגמה, ציפויים אתריים משתנים מחוץ לשמיכה אווירגל יכול לכוון כמה חום קורנל הרחק, בעוד הארוגל שומר על הפנים יציב.שילוב זה מודל עבור צינורות FLT:0Euro ClipperFLT:1 המשימה, אשר חייב לשרוד את קר של חלל עמוק ואלקטרוניקה חם יכול גם למנוע לולאות נוזל לתוך קווי קירור.

מסקנה

Aerogels עברו מסקרנות מעבדה למרכיב מוכח ב בידוד תרמי של חלליות.התנגדות החום יוצאת דופן שלהם, משקל מינימלי, הסתגלות להפוך אותם הכרחיים עבור משימות החל ממאדים כדי לחקור מעבר למערכת השמש החיצונית. בעוד אתגרים כגון fragility ועלויות להישאר, מחקר מתמשך של צינורות פולימרים, מרוכבים, ותוספים מבטיח להרחיב את היישום שלהם.

(ב) ◄ [13]

  • נאס"א: "הראוי:0; ⁇ : אורב" 1 - סקירה של יישומי חלל ומחקר.
  • ויקיפדיה "SherFLT:0"AerogelFLT 1OVA" - תכונות כימיות וגופניות מפורטות.
  • סוכנות החלל האירופית, "FLT:0"Aerogels לשמור על מאדים אלקטרוניקה rover אלקטרוניקה FLT:1" - מחקר מקרה על סקרנות ו Perseverance.
  • המכון האמריקאי לאירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה, "FLT:0" (Polyimide Aerogels for Spacecraft Thermal InsulationFLT:1)" - מאמר בכתב העת על aerogels גמישים (הגרסה ממוקדת; קוד פתוח גישה זמינה).
  • נאס"א גלן מרכז המחקר "Fillo:0" מחקר גלגל ב גלן FLT 1" - ההתפתחויות האחרונות באירוגלי Cryogenic וגמיש.