השימוש בחומרים המעודדים בגראפיין כדי לבטוח תרמום יעיל של כלי החלל

הקדמה: הצורך ב Insulation in Spacecraft

חלל שפועל בוואקום של החלל ניצב בפני שינויים בטמפרטורות קיצוניות, החל מקרינת השמש הישירה של מעל 120 מעלות צלזיוס בצד הפונה לשמש לטמפרטורות Cryogenic מתחת ל- 150 מעלות צלזיוס באזורים שצוללים. זה ממקם מתח עצום על רכיבים מבניים, אלקטרוניקה, וכלי בקרה מדעיים. בידוד תרמיים יעילים הוא קריטי לשמור על טמפרטורות פנימיות יציבות, להגן על ציוד רגיש, ולהבטיח הצלחה מסורתית בתאים כגון חומרים גמישים, כגון סוללות, אך הם מפעילים תכונות מורכבות, אך חומרים , כגון:

Graphene: חומר עם תכונות חריגות ומכניות

Graphene הוא שכבת אטומית אחת של אטומי פחמן מסודרים בשני ממדים דבש דבש, מאז בידודו בשנת 2004, גרפן יש חלוץ חוקרים בשל תכונותיו הקלות ביותר.הוא בעל מוליכות תרמית של עד 5,000 W / mK בטמפרטורת החדר, אשר הוא בערך 10 פעמים כי של נחושת ויותר מכל חומר ידוע זה, התנהגות תרמית גבוהה זו מאפשרת גרפן להתפשט במהירות, למנוע פגיעה חיצונית של מחזורית גבוהה של $ 1, 000 גרף עדיין על ידי גירוי חשמלי אחד של מחזורי חום, אך ורק על ידי מחזורי חום אחד של יותר של פונקציות קבוע של מחזוריים של מחזוריים של מחזוריים של יותר של GP.

Graphene-Enhanced Materials for thermal Insulation

גרפן טהור בצורת מונוטרה אינו ניתן ישירות כמו בידוד גדול. במקום, חוקרים משלבים גרפן לתוך מערכות חומר שונות - aerogels, קצף, מרוכבים פולימרים, וציפויים - לרתום את היתרונות התרמיים והמכניים שלה תוך כדי להתגבר על מוליכות גבוהה אינטריאלית גבוהה כי אחרת יהיה נגדי עבור בידוד.

Graphene Aerogels ו- Foams

Graphene aerogels הם משקל אולטרה אור, חומרים ⁇ מאוד נגזר מן השעיה תחמוצת גרפן oxides באמצעות הקפאת דלק או יבשה סופר קריטי.הנפיחות שלהם (מעל 99% אוויר) תוצאות מוליכות תרמית נמוכה מאוד, לעתים קרובות מתחת 0.02 W / mK, עושה אותם חומרים כימיים מצוינים של גרפן לתוך רשת גלל גם משפר חום תרמיל, הוכח מתחת ל גרף חשמלי נוסף, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 חזרות.

גרפן-פוימר Composites

גישה נוספת היא לפזר את קשקשים גרפן או גרפן פונקציונלי לתוך מטבוליות פולימר כגון פולימיסטים, epoxy, או סיליקון. אלה מורכב יכול להיות מתוכנן יש מוליכות תרמית נמוכה עבור בידוד הרוב על ידי ניצול רכיבי המחתרת הגבוהה של גרפן נבדקים על ידי ציפויים מורכבים גם על פני השטח של גרף חזק בין גרפן פולימרן לבין פולימרפרפרמוס משפר כוח מכני, קשיח, קשיח, ויציבות תרמית, למשל, כדי להפחית את הציפוי של 40% כדי להגדיל את הצמיגים.

Graphene Coatings

ציפויים מבוססי Graphene מציעים דרך לשנות את התכונות התרמיות של מבנים חלליים קיימים.על ידי יישום שכבת דק של גרפן או גרפן תחמוצת על מגינים תרמיים או לוחות רדיור, מהנדסים יכולים לשלוט על המולדות ו absorptivity. Graphene ציפויים פחמן יכול להיות מכוון באופן פעיל גרף הגנה גבוהה יותר (לקרינה יעילה חום) תוך שמירה על גמישות סולארית נמוכה, שילוב בקלות עם ציפויים חום שלילי זה לא ניתן לספוג חום רגיל.

יישומים ספציפיים ב-Spacecraft Thermal Management

Thermal Shields for Re-entry Vehicles

במהלך החזרה אטמוספירית, החללית חווה פלוקסים חום קיצוניים מעל 1,000 מעלות צלזיוס מערכות הגנה תרמיות מסורתיות (TPS) להשתמש בחומרים למניעת הריון המספקים בידוד על ידי הקרבה של מסה. Graphene-enanced מורכב יכול להגדיל את המערכות הללו על ידי המציעים מוליכות תרמית גבוהה יותר במטוס של המגן להתפשט מאוחר יותר חום, להפחית את הטמפרטורות שיא מבוסס Graphene-abative חומרים גם phenenegate יותר, אשר הראה שיפור ביצועים גרף יותר גרף גרף גרף יותר.

Multilayer Insulation (MLI) Enhancements

בידוד רב-שכבות הוא עבודת השליטה התרמית של החללית, המורכב משיטפונות רפלקטיביים (בדרך כלל אלומיניום) וחללים מוליכים נמוך. Graphene יכול להחליף את השכבות המתכתיות עם גליונות גרף קלים המציעים רפלקטיביות דומה אבל עם גמישות גבוהה יותר והתנגדות לעייפות סדקים. Graphene oxiders יכול גם להחליף ממות פלסטיק עדין, לספק ביצועים תרמיים ומכניים כבר גרפים.

מפיץ חום ורדיטורים

בעוד בידוד נועד לשמור על חום בתוך או בחוץ, מערכות בקרה תרמיות פעיל גם דורש מפיץ חום יעיל כדי למנוע חום מאלקטרוניקה רגישה לרדיו פאנלים. Graphene גבוה בתוך המטוס מוליכות תרמית הופכת אותו אידיאלי עבור מפיץ תרמי. Graphene-composite עם מוליכות תרמית של 400-600 W / mK כבר בשימוש באלקטרוניקה אוויר כדי להפחית כתמים חמים עבור מכחול, 000 צבע לתוך ציפויים משולבים לתוך משטחים צהובה 1A משותף של 4.

קרינה מגן

מעבר לניהול תרמי, גרפן מציע גם הבטחה להגנה על קרינה.האורות שלה ומספר אטומי גבוה להפוך אותו יעיל לחסום חלקיקים אנרגטיים כמו פרוטונים וקרניים קוסמיים, במיוחד בצורות מרובות-שכבות. Graphene-polymer מורכב יכול להשתלב לוחות מבניים כדי לספק בידוד תרמי והגנת קרינה, צמצום הצורך בשכבות מגן חלקי.

יתרונות על חומרים בידוד מסורתיים

חומרי בידוד תרמיים כגון aerogels, סיבים, ו שמיכות MLI הוכיחו יעיל אבל פנים מול פנים חד- offs מסחר טמונים. Aerogels, למשל, מציעים בידוד מעולה אבל הם בשפע ופרון לדור אבק, אשר יכול ללכד מכשירים אופטיים. סיבי זכוכית ופטרונים פולימרים יש צפיפות גבוהה יותר וסובלנות תרמי.

• (FLT:0) שליטה תרמית של סופריאור: FLT:1 Graphene גבוה מוליכות מטוס בשילוב עם מבני ⁇ מאפשר בידוד בו זמנית והפצת חום, מניעת כתמים חמים או קרים מקומיים.
• (FLT:0) יחס כוח-משקל: אנדרל 1:1 Graphene aerogels ו מסובייקט יכול להיות 90% בהיר יותר מאשר בידוד סיבים דומים תוך שמירה על חוסן מכני או עלייה.
• (FLT:0) שיפור גמישות והתאמה: Graphene Complexs ניתן לעצב בקלות לתוך גיאוגרפיה מורכבת, כגון לוחות מעוקלים או מבנים ניתנים לפרוס, ללא סדקים.
• (FLT:0) קרינה והתנגדות לחמצן האטומית: ציפוי Graphene להגן על תת-שכבות הבסיס מפני שחיקה ושפלת UV, להאריך את חיי המשימה.
• (FLT:0)Multifunctionality:FLT:1ir) אותה שכבת גרפן יכולה לספק בידוד תרמי, מוליכות חשמלית עבור פריקה סטטית והגנה על קרינה - צמצום מסה מערכתית הכוללת.

אתגרים ומחקר מתמשך

למרות הפוטנציאל המבטיח, יש לטפל בכמה מכשולים טכניים וייצור לפני חומרים גרפין-enhanced להפוך סטנדרטי ב בידוד תרמי חלליות.

ייצור סקאביות ועלויות

הפחתת גליונות גרפין באיכות גבוהה או גרפן פונקציונלי בקנה מידה תעשייתי נשאר יקר ואנרגיה רגישה.שיטות הנוכחיות כגון פיזור כימי (CVD) או גרף oxide לא עולה עדיין תחרותי עבור גדול- insulation לוחות על ידי גרביטציה לפגוש גרפים.עם זאת, התקדמות בשיטות exfoliation ופיתוח של הזנות נמוכות יותר של גזטוקט עדיין לא עולה כי הם להפחית בהתמדה את המחירים של התעשייה, כולל חומרים סטנדרטיים.

סביבת חלל

(ג'ופן עצמו יציב להפליא, אך החומרים המורכבים המשמשים ב בידוד חייבים לעמוד בשחיקה חמצן אטומית במסלול כדור הארץ נמוך, קרינה אולטרה סגולה, ובדיקות תרמיות חוזרות ונשנות הראו כי מרוכבים פולימרניים יכולים להתפוגג תחת חשיפה ממושכת של UV, המוביל ל embrittlement.coming עם שכבות הגנה נוספות או באמצעות גרפים לא אורגניים (כגון ננודות ניטאריות) נבדקים בניסויי זמן קצר (R) של תחנת החלל הבין-אדום (R) הוא ניסויי תיבות של זמן (R) בניסויי תיבות של זמן קצר (R) של זמן קצר לאחר ניסויי תיבות של זמן (RicialFD) הוא ניסויי תיבות של זמן (R) ב-F) של זמן (R) של זמן (Ricial (Ricialdation) (R) (R) באמצעות ניסויי תיבות של ניסויי תיבות של LTD) של LTD) באמצעות ניסויים בניסויי תיבות של זמן קצר לאחר ניסויים ב-FDIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRD) של זמן קצר לאחר ניסויים בניסויי תיבות של זמן קצר לאחר מכן, החל מ-FDEXFDV (R

שילוב עם מערכות בקרה ארסיות קיימות

עיצוב תרמי חללי הוא משולב מאוד; החלפת חומר בידוד אחד לעתים קרובות דורש התחדשות מודלים תרמיים שלמים.הטבע האנסוטרופי של תרכובות גרפן (גבוהה במטוס, נמוך דרך פלנטות מטוסים) חייב להיות מדויק עבור כלי ניתוח תרמי.תקני הנדסה והנחיות עיצוב עדיין מפותחים. Collaborative מאמצים בין סוכנויות חלל ו-conortia בתעשייה במטרה ליצור פרוטוקולים סטנדרטיים לדוגמה, קבוצות מחקר מתקדמות (CO).

כיוונים עתידיים ואפקטים פוטנציאליים

מחקר מתמשך הוא דוחף את הגבולות של בידוד תרמי מבוסס גרפן.אזור מרגש אחד הוא פיתוח של nanotube פחמן גרפן פחמן (CNT) היברידית המשלבת את שטח פני השטח הגבוה של CNTs עם התכונות המכאניות מצוינות של גרפן. היברידיות אלה יכולים להשיג מוליכות תרמיות נמוכות כמו 0.005 WIN) תוך שמירה על התנהגות חשמלית עבור פריקה בשלב מאוחר יותר של גרף (mc) הוא ליצור חומרים גרף חום לוכדים (מחלומי חום) לתוך סגסוגת נוספת של חום).

למשימות חלל עמוקות – כגון תוכנית ארטמיס של נאס"א והתחנת המקפת של סוכנות החלל האירופית – משקל אור, בידוד רב תפקודי הוא קריטי.חומרים המוערכים יכולים לאפשר בתי גידול הדור הבא, אישורים, וניצול משאבים חלופי (אמת) שפועל ביעילות בסביבות תרמיות קיצוניות.

חברות תעופה מסחריות חלליות משקיעות גם בטכנולוגיות גרפן.SpaceX ו-Blue Origin מממנות מחקר ב אינסטלציה של טנק גרפין-קומוטאי עבור ממריצים מבוהגים כמו מימן נוזלי ומתאן.הטנקים האלה חייבים לשמור על טמפרטורות אולטרה-נמוכות עם מינימום של בידוד רתיחה. Graphene aerogel מבוסס אינסטלציה יכול להפחית את הדליפה חום על ידי 50% בהשוואה לקצף מסורתי, שיפור ישיר טווח המשימה וקיבולת המטען.

מסקנה

חומרים גרפיפן-enhanced מייצגים קפיצת משמעותית קדימה ב בידוד תרמי של חלליות. השילוב הייחודי של שליטה מוליכות תרמית גבוהה, כוח מכני, משקל ורב-תפקודי מתייחס למגבלות רבות של חומרים קונבנציונליים.כפי שמדורגים וארוכי זמן ארוכים של נתונים מצטברים, מחסומים מבוססי גרפן, מסובבים, ציפויים, הופכים אלמנטים סטנדרטיים במערכות ניהול תרמיות עבור חללים עמוקים, וחוקרים עתידיים אחד, הם בסופו של זמן ארוך יותר, עם מחסומים מתקדמים יותר, לאחר מכן, עם מחסומים מתקדמים יותר, ומעבדים, אשר בסופו של זמן רב יותר, עם גרפים, ומעבדים, אשר בסופו של דבר, עם סוללת חללים יעילים יותר, עם מחסומים מתקדמים יותר, עם , ומעבדים, אשר בסופו של דבר, עם מחסומים יעילים יותר, עם מחסומים מתקדמים יותר, עם גרפים, עם מחסומים מתקדמים יותר, עם מחסומים מתקדמים יותר, אשר בסופו של זמן רב יותר, עם מחסומים מתקדמים יותר, עם גרפים, עם גרפים, אשר בסופו של דבר, עם מחסומים מתקדמים יותר, אשר בסופו של דבר, אשר בסופו של דבר, עם סוללת זמן רב יותר, אשר מופעלים, אשר בסופו של דבר, אשר מופעלים יעילים יותר,