מבוא: ההבטחה של ננוטכנולוגיה לכותרות חום הבאות

האטמוספירה של Spacecraft חוזרת לטמפרטורות מעל 1,600 מעלות צלזיוס (2,900 מעלות צלזיוס), הנגרמת על ידי דחיסה וחיכוך של מולקולות אוויר.הגנה על הרכב ועל הדיירים שלה מהחום הקיצוני הזה כבר זמן רב אחד האתגרים הגדולים ביותר של הנדסת אווירי חלל מערכות הגנה מסורתיות (TPS), כגון מגיני חום פוגעניים המשמשים קפסולות אפולו ומעבורות החלל מחזקות פחמן-RC) אך הן יעילות, אך הן מגיעות עם מגבלות משקל משמעותיות.

במהלך שני העשורים האחרונים, ננוטכנולוגיה התפתחה ככוח טרנספורמטיבי במדעי החומרים.על ידי חומר הנדסי ב nanoscale (1 עד 100 ננומטר), החוקרים יכולים ליצור חומרים עם תכונות תרמיות, מכניות וכימיקליות משופרות באופן קיצוני, כאשר הם מוחלים על חומרי מגן חום, ננוטכנולוגיה מבטיחה לא רק כדי לשפר את עמידות החום, אלא גם להפחית במשקל, לשפר את הקשידות, ולאפשר מערכות הגנה תרמיות שיכולה לשרוד מספר משימות.

הבנת מגן חום ותפקידם הקריטי

מגן חום (או מערכת הגנה תרמית) הוא השכבה החיצונית ביותר של חללית, שנועדה לספוג, להרהר, או להתפזר את גלי החום הענקיים שנוצר במהלך הכניסה לאטמוספירה.ללא TPS מתפקד, חללית תשרוף בתוך שניות.

  • (FLT:0) מגן על-פי חוקה (Abalative shields) 1 (הראשונה ל-) – עבודה זו באמצעות חומר מקריב: שכבת שרף או כריזמים מורכבים פחמן, נמסים, וחוסנים, נושאים חום.הם אמינים אך ורק שימושים בודדים וכבדים יחסית.
  • (FLT:0) מגינים שניתן להעלות על הדעת (FLT:1) - אלה שומרים על היושרה שלהם על טיסות רבות, באמצעות חומרים כמו פחמן פחמן פחמן פחמן חזק (RCC) או אריחים קרמיקה כי הם קלים יותר בעיקרון אבל לעתים קרובות דורשים תיקון מורכב ושיפוץ.

לשתי הגישות יש מגבלות בסיסיות: מגינים מלוכלכים כבדים ושופכים; מגינים שניתן לפצח או להידרדר לאורך זמן ולהילחם עם ⁇ תרמיים קיצוניים.ננוטכנולוגיה מציעה דרך להתעלות מעל פני הבורסות הללו באמצעות יצירת חומרים היברידיים המשלבים את התכונות הטובות ביותר של כל אחד.

כיצד ננוטכנולוגיה משפרת את ביצועי מגן החום

ננוטכנולוגיה מאפשרת עיצוב חומרים עם מיקרו-מבנה מבוקר בדיוק. at the nanoscale, משטח פני השטח, אפקטים קוונטיים, והנדסת פגם להיות דומיננטי, המוביל לנכסים בלתי ניתנים להשגה בחומרים גדולים. בהקשר של מגיני חום, שיפורים ננוטק נופלים לשלוש קטגוריות עיקריות: הגנה תרמית, כוח מכני, והפחתה במשקל.

NAOSE: High Thermal Resistance

ננוקום הם חומרים כי להטביע חלקיקים (כגון צינורות פחמן, גרפן, או חלקיקים קרמיקה) לתוך ממטריקס - באופן חד-משמעי פולימר, קרמיקה או פחמן מבוסס פחמן, nanoparticles ליצור רשת צפופה שיכולה לשקף קרינה אינפרא אדום, לפזר פוני (נושאות), ולפעול כמו מחסומים תרמיים.

מחקר בולט אחד של NASA Ames Research CenterveFLT 1 הראה כי phenolic resin טעון עם 2–5% על ידי משקל של ננופיבר פחמן הציג עד 40% יותר מוליכות תרמית גבוהה יותר לכיוון זרימת החום, אשר מסייע להפיץ חום מאוחר יותר להפחית את הטמפרטורה גבוהה.

תוצאות חיפוש > Durability and Crack Resistance

חומרים מסורתיים של מגן חום יכולים לסבול ממיקרו-קרקינג הנגרמת על ידי רכיבה תרמית (התכווצות במהלך חימום מהיר קירור) אלה סדקים propagate ויכול להוביל לכישלון קטסטרופלי.נוtubes וננופיבר, כאשר מפוזרים באופן אחיד, פועלים כמו רפצים ב- NCRS לחץ גבוה ו- Tenile (פחמינופס הם בערך 100 פעמים חזק יותר מאשר פלדה, אך ורק אחד) יוצרים את קצבת אנרגיה כפול (D) לספוגה 1JF) ל-FD.

זה השתפר קשה במיוחד עבור מגיני חום הניתנים לחזרה. אריחי המעבורת החלל, למשל, היו שבריריים ונדרש טיפול זהיר. אריח מבוסס ננוקומה יהיה הרבה יותר עמיד בפני השפעה של מיקרומטראואידים או פסולת, צמצום עלויות תחזוקה ושיפור הבטיחות.

ירידה במשקל עבור עלויות שיגור נמוכות

כל קילוגרם שנשמר במסה חלליות מתורגמת להפחתת עלויות משמעותית - ב-10,000 דולר לקילוגרם למשימות מהירות כדור הארץ נמוכות, ואפילו יותר עבור חלל עמוק.ננוטכנולוגיה מאפשרת ירידה במשקל בשתי דרכים: ראשית, על ידי החלפת חומרים מסורתיים כבדים יותר עם ננוקומבטים קלים של כוח שווה או גדול יותר; השני, על ידי מתן שכבות הגנה מחוס חום דק יותר כי החומר הוא יעיל יותר.

נאס"א חקרה את תוכנית המחקר המתקדמת של נאס"א:0 (FLT:0) , תוכנית מחקר מתקדם של מערכות מחקר מתקדם של נאס"א 1 (Nanos) בדק שיעור של חומרים דמויי ננוקום PICA שהם 30% יותר קלים מ- PICA סטנדרטיים תוך שמירה על אותה ביצועים תרמיים.

מפתח ננו-חומרים בפיתוח מגן חום

כמה ננו-חומרים ספציפיים נמצאים בחזית מחקר מגן החום.למטה הוא סקירה של המועמדים המבטיחים ביותר.

צינורות פחמן (CNTs)

צינורות פחמן הם מולקולות צייליות של פחמן טהור עם קוטרים קטנים כמו 1 ננומטר. הם מציגים מוליכות תרמית יוצאת דופן (עד 3,500 W / mK לאורך ציר הצינור), חוזק רב-קרקעי גבוה, ויציבות כימית מעולה. CNTs משולבים בפולימרומנים ומאפינים קרמיקה כדי לשפר את התחבורה התרמית בכיוונים מועדפים, לשפר תכונות מכניות, להפחית את קצבי הפחתת.

Graphene

Graphene הוא גיליון חד-אטומי של פחמן עם תכונות מכניות תרמיות מצטיינים.גאומטריה דו-ממדית שלה עושה את זה אידיאלי ליצירת שכבות מחסום שיכול לחסום חום ופיזור גז.ביישומים הגנה חום, תחמוצת גרפן (GO) יכול להיות מעורב עם פולימרים כדי ליצור שכבת ייצור צפופה, כריז-מדן כי להפחית חמצון.

Ceramic Nanoparticles (Silica, Alumina, Zirconia)

חלקיקים של קרמיקה כמו סיליקה (SiO2), אלומיניום (אל2O3), ו zirconia (ZrO2) משמשים ליצירת ננוקום עם נקודות נמס גבוה והתנהגויות תרמיות נמוכות. לדוגמה, הוספת 10 חלקיקים Nmlica כדי להתאים פחמן-phenolic ablator יכול להפחית את ההתנהגות התרמית האפקטיבית על ידי 30% כי חלקיקים עצביים ממתכתיים אלה משפרים גם את הלחץ של מתכת.

ננוקליות ושכבות כפולות הידרוקסידים

חלקיקים מינרלים אלה ניתן exfoliated לתוך משטחים ננומטריים.כאשר מפוזרים בפולימר, הם יוצרים נתיב קדחתני לחום וגז, ביעילות להפחית את מוליכות תרמית ולהאט את שחרורו של גזים פירוזיים ב ablators. הם זולים וקלים יחסית לעבד, מה שהופך אותם אטרקטיביים למשימות רגישות בעלויות.

אתגרים ייצור ואינטגרציה

בעוד הביצועים בקנה מידה המעבדה של ננו-חומרים מרשימה, בתרגום ההצלחה הזו למגן חום בקנה מידה מלא מציגה מכשולים ייצור משמעותיים.

דיספרסיון

חלקיקים יש נטייה חזקה ל agglomerate בשל כוחות ואן דר Waals.אם הם clump יחד, היתרונות אבודים, ואת agglomerates יכול למעשה להיות נקודות חלש. achieving פיזור אחיד לעתים קרובות דורש שילוב גבוה, קישוט, או פונקציונליזציה כימית של משטח nanoparticles. עבור צינורות פחמן, covalentization (למשל, תכונות הדבקה), אבל הדבקה יכול גם כן, צינורות.

סקלאלה ועלויות

הפחתת ננו-חומרים איכותיים בכמויות הדרושות לחללית (עשרות עד מאות קילוגרמים) היא כיום יקרה.לדוגמה, nanotubes פחמן חד-קיר אחד עולה מאות דולרים לגרם מספקים מיוחדים.תוכניות חלליות בדרך כלל סובלניות בהשוואה לסחורות הצרכנים, אך המחיר חייב לרדת לפני שמגן חום ננוקום הופך לשגרה.

דאגות סביבתיות ובריאות

חלקיקים, במיוחד צינורות פחמן, היו בהשוואה לאסבסט במונחים של סיכונים בריאותיים פוטנציאליים אם inhaled. במהלך הייצור ו- machining של מגיני חום ננוקום, ננו-חלקיקים חשמליים יכולים להוות סיכון לעובדים.אוורור נכון, סינון נכון, וציוד מגן הם חיוניים בנוסף, גורל הסביבה של חלקיקים משוחררים במהלך חלליות משוחררות (אם יש צורך לחקור את הנתיבים), למרות שיש צורך סביר להניח כי פלזמה יהיה צורך לחקור.

בדיקות והתאמה של ננוקום הגנה

חומרי מגן חום חייבים לשרוד את התנאים הקיצוניים ביותר של כל יישום הנדסי: חום גבוה, אווירת כיס גבוה, חמצון, ולעתים קרובות קרינת פלזמה.בדיקה חומרים אלה היא תהליך רב-שלבי הכולל יותר ויותר דגימות ננו-מבנים.

אפשרויות ל-Arc-Jet and Plasma Wind Tunnel

מתקני בדיקות קרקעיים כמו ההרחבה:0 NASA Ames Arc ComplexFLT ( 1:1) יכולים לדמות תנאי כניסה מחדש על ידי הפקת זרמי פלזמה גבוהה-enthalpy.Ncomposite דגימות נחשפים לשטף חום מ 50 עד 1000 W / m2 למשך שניות עד דקות. Key metrics כוללים אובדן המוני (קצב הדבקה), טמפרטורה, char עומק ושלמות נמוכה יותר של טמפרטורות CNT-CNT-CNT-CAN נמוכות יותר.

ניתוח ה-RMOgravimetric Analysis (TGA) ו-Spoting Calorimetry (DSC)

במעבדה, TGA מודד כיצד המסה של שינויים חומריים עם טמפרטורה, המציין את הצטברות כריזה תשואה. DSC מודד חום זרימה, גילוי מעברי שלב ונוטיקה תגובה. ננוקומופלסטים באופן עקבי מראה יציבות תרמית גבוהה יותר (כלומר, תנודות לטמפרטורות גבוהות יותר) ותשואות גבוהות יותר, אשר מתאם ביצועים טובים יותר.

בדיקות מכניות

Flexural, Tenile ובדיקות דחיסה בטמפרטורת החדר ולאחר חשיפה עתירה גבוהה להעריך את עמידותם של ננוקומביטים.Fracture קשיחות חשובה במיוחד - קרמיקה כפויה-nanotube הוכיחו שיפורים של 2-3 פעמים, מה שהופך אותם מתאימים ל- TPS שניתן לשנות מחזורים תרמיים מרובים.

כיוונים עתידיים: הדפסה תלת מימדית, הגשמה עצמית, ו- Multifunctional TPS

הגבול של חומרי מגן חום הוא לא רק בחומרי גלם טובים יותר, אלא גם בייצור מתקדם ומושגים חדשים.ננוטכנולוגיה ממלא תפקיד מרכזי בהתפתחויות אלה.

ייצור של ננוקום מגן חום

הדפסה 3D (ייצור ממכר) מאפשרת יצירת מגיני חום עם גיאוגרפיות פנימיות מורכבות - כגון porosity או רשתות ערוץ עבור קירור פעיל - אשר אינם יכולים להטיל או מכונה באופן קונבנציונלי. על ידי שילוב ננו חלקיקים לתוך המזינים הדפסה (מסננים, reszzins, או אבקות), יצרנים יכולים לייצר חלקים ליד net-shape עם תכונות מקומיות אופטימיזציה, לדוגמה, CF לא יכול להיות מוגן יותר ריכוז של שטח אחסון CNT גבוה יותר.

המונחים: wecomposites

בהשראת מערכות ביולוגיות, החוקרים מפתחים חומרים שיכולים לתקן סדקים באופן אוטונומי.גישה אחת כוללת הטמעת מיקרו-capsules מלא סוכן ריפוי (למשל, מבשר פולימר) כי פורץ כאשר פצץ, לשחרר את הסוכן כדי לאטום את הסדקים. at the nanoscale, כמו קטן כמו nm יכול לשמש, המאפשר עבור מחזורים מרובים של ריפוי המכילה מיקרוסקופיות, יכול להיות מתפזרים לתוך מסגסוגת מתכתי דם, יכול להיות מכווץ.

« « BLETYPES

מדוע יש מגן חום שרק מגן מפני חום?נוטכנולוגיה מאפשר שילוב של פונקציות נוספות ללא תוספת משקל.לדוגמה, צינורות פחמן ניתן להשתמש בהם כממלא התנהגות, ומאפשר מגן החום לשמש גם כמגן אלקטרומגנטי (EMI) או אפילו כשכבה חיישן המנטרת את הטמפרטורה, מתח, או עומק בזמן אמת כזה "ט" TPS יכול לספק הגנה ביקורתית, שיפור אסטרטגי והתאמה מחדש, תוך שיפור מתמיד של אבטחה.

אתגרים והדרך קדימה

למרות הפוטנציאל העצום, אימוץ נרחב של ננוטכנולוגיה במגן חום ניצב בפני כמה מכשולים מעבר לייצור. עמידות לטווח ארוך בתנאים בחלל (vacuum, קרינת UV, חמצן אטומי) יש לאמת.לדוגמה, צינורות פחמן יכולים לפלס תחת חשיפה ממושכת לחמצן האטומי, אשר נפוץ במסלול נמוך של כדור הארץ, ציפויים מוגנים או פונקציונליות עשויים להיות נחוצים.

סטנדרטיזציה וההכשרות הן חומרים אחרים של חללי חלל חייבים לעבור תהליכי הסמכה קפדניים (למשל, נאס"א:0NASA-STD-5001FLT:1), ננוקומבטים מציגים משתנים חדשים אשר מאטים הסמכה.

מסקנה: עתיד ננו-הזד ל חקר החלל

הצומת של nanoטכנולוגיה וחומרים מגן חום מייצג אחד הגבולות המרגשים ביותר בהנדסת אווירוקל. על ידי רתום המאפיינים הייחודיים של צינורות פחמן, גרפן, חלקיקים קרמיקה, וננו-חומרים אחרים, מהנדסים יכולים לעצב מערכות הגנה תרמיות כי הם קלים, קשוחים יותר, ועמידים יותר חום מאשר אי פעם.אלה יאפשרו מחדש, להפחית עלויות ההשקה, ולפתוח את החללית שיכולה לנוע מעבר למסלול כדור הארץ.

כבר, בדיקות מעבדה והפגנות בקנה מידה קטן אישרו את הרעיון, ומציינים מוקדמים כמו משימות פלנטריות של נאס"א מתחילים לשלב שיפורים ננו-חומריים.כפי שקשקשים הייצור ועלויות נמוכות, מגיני חום ננו-פוביים יהפכו לסטנדרט החדש, להחליף חומרים מורשת הן בתחבורה ציבורית ופרטית.