שימוש בחומרים מבוססי Graphene עבור Advanced Spacecraft Thermal Insulation

חקר החלל דורש חומרים שיכולים לעמוד בטמפרטורות קיצוניות ובתנאים סביבתיים קשים.מחום המבולג של כניסה מחדש לקור ה Cryogenic של חלל עמוק, ניהול תרמי הוא אחד האתגרים הקריטיים ביותר עבור עיצוב חלליות.ההתפתחויות האחרונות בננוטכנולוגיה הציגו חומרים המבוססים על גרפן כמו מועמדים מבטיחים לחדירה תרמית.חומרים אלה מציעים שילוב ייחודי של תכונות שעשויות לשפר באופן משמעותי את היעילות, ואת תוחלת החלל מאחורי חומרים אלה, הם ממשיכים לפתח חומרים מתקדמים, לפני חומרים מתקדמים.

הבנת Graphene ו-Thermal Properties

Graphene הוא שכבת אטומית אחת של אטומי פחמן מסודרים בלחיות דו-ממדית של hexagonal.It הוא יחידת מבנית בסיסית של מזהמים פחמן אחרים כגון גרפיטי, צינורות פחמן, ומלאנים.מה הופך גרפן יוצא דופן עבור בידוד תרמי הוא היכולת שלו לנהל חום ביעילות בתוך המטוס, בעוד גם להיות מודולי מסוגל ליצור מחסומים תרמיים.

על ידי הנדסה גרפן לתוך מסובכים, קצף, או aerogels, החוקרים יכולים לנצל את שטח פני השטח גבוה שלה וכוח מכני כדי ליצור כוח קל משקל, ⁇ מבנים כי מלכודות אוויר או ריק ו מעכב התנהגות חום. אלה גרפים המבוססים על גרפן יכול להיות מכוון שיש מאוד מוליכות תרמית נמוכה מאוד (כפי נמוך כמו 0.02 W / mK), יריב או מעל גלגלים מסורתיים ו קצף, בנוסף גרף גבוה, אשר מאפשר לשלוט ביעילות.

תכונות עיקריות של Graphene- Based Materials for Spacecraft Insulation

התנגדות גבוהה ו Anisotropic Conductivity

חומרים המבוססים על Graphene יכולים להיות מתוכננים להציג מוליכות תרמית anisotropic - גבוה במטוס אבל נמוך דרך כוכב.זה אומר חום יכול להיות להתפשט מאוחר יותר על פני משטח (שימושי להתפשט חום) אבל חסום מ חודר דרך שכבת בידוד.

משקל אור

כל קילוגרם שהושק למסלול עולה אלפי דולרים. Graphene הוא אחד החומרים הידועים ביותר - גיליון מטר מרובע אחד שוקל רק 0.77 מיליגרם.כאשר נוצר לתוך aerogels או קצף, insulators מבוסס גרפן הם קל משקל להפליא, לעתים קרובות עם דחיות מתחת 10 מ"ג / 3 ס"מ זה הופך אותם הרבה יותר קל מאשר קונבנציונאליים כגון קצף פולימר או fibrous, המאפשר חיסכון משמעותי עבור חלליות.

כוח מכני יוצא דופן

למרות צפיפות נמוכה שלה, גרפן הוא בערך 200 פעמים חזק יותר פלדה על ידי משקל. כוח זה מתורגם לוחות בידוד עמיד שיכול לעמוד בפני רטטים שיגור, זעזועים מכניים, ואת ההשפעות המיקרומטראוסטרואידים נפוצים בחלל. קצף מבוסס Graphene גם להפגין גמישות גבוהה, ומאפשר להם להתאים משטחים מעוקלים ומורכבות גיאוגרפית ללא סדק.

עמידות

סביבת החלל מלאה בהקרנות ionizing של קרינה מפני קרניים קוסמיות וחלקיקים סולאריים. פולימרים רבים מתפוגגים תחת קרינה כזאת, מאבדים את תכונותיהם המבודדות. Graphene, להיות חומר פחמן גבישי, הוא עמיד באופן טבעי לנזק קרינה.מחקרים הראו כי מרוכבים מבוססי גרפן שומרים על השלמות המבנית שלהם וביצועים תרמיים גם לאחר חשיפה ממושכת לפרוטונים ואלקטרונים באנרגיה גבוהה, מה שהופך אותם למשימות מתאימות למשימות ארוכות.

יציבות מוגברת מעל טווח טמפרטורה רחב

חומרים המבוססים על Graphene נשארים יציבים מטמפרטורות מבוכות (near מוחלט אפס) עד כמה מאות מעלות צלזיוס אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אטאט, הם יכולים לעמוד אפילו בטמפרטורות גבוהות יותר.טווח תפעולי רחב זה מכסה את כל התנאים שנפגשו בחללית - מהקור של חלל עמוק (כ-2.7 ק"ג) לחום הקיצוני של כניסה אטמוספירית (עד 2000 מעלות צלזיוס להגנה תרמית).

יתרונות על חומרי בידוד מסורתיים Spacecraft

אינסטלטורים תרמיים מסורתיים כוללים שמיכות מרובות שכבות (MLI) עשויים קפטון אלומיניום או Mylar, aerogels, ושמיכות סיבים קרמיקה. בעוד אלה שירתו את התעשייה היטב במשך עשרות שנים, יש להם מגבלות כי חומרים המבוססים על גרפן יכול לטפל.

• (ב) ⁇ :0Weight Reduction: 1FLT:1 שמיכות MLI יעילים אך ניתן להיות כבד בשל מספר רב של שכבות וחללים. Graphene aerogels מציעים בידוד דומה או טוב יותר בשבריר של המשקל.
• (FLT:0) שיפור ביצועים הירוגליים: ⁇ 1 (Eerogels) מסורתיים הם שבריריים ויכולים להידרדר לאורך זמן. Graphene aerogels אינם רק חזקים יותר, אלא יכולים להשיג מוליכות תרמית נמוכה יותר כאשר הם מתאימים.
• (FLT:0) פונקציונליות: FLT:1 חומרים המבוססים על Graphene יכולים לספק בו זמנית בידוד תרמי, מוליכות חשמלית (לפיזור מטען סטטי), ואפילו הגנה אלקטרומגנטית.זה מקטין את הצורך במערכות תת-מערכות נפרדות, חיסכון המונים ומורכבות.
• (FLT:0) סימולציה וקונפורפורציות: 1) שמיכות MLI הן pre-formed וקשה להתאים לצורות מוזרות. קצף Graphene יכול להיות מעוצב או אפילו מודפס לתוך צורות מותאמות אישית, שיפור בכושר וצמצום הפערים שגורמים לדליפות תרמיות.
• (FLT:0) ו-Vacuum Performance:FLT:1 בוואקום של החלל, רבים ממריצים מסתמכים על גז לכוד; אם הגז בורח, הביצועים טיפות. Graphene aerogels וקצף יכול לתפקד ביעילות אפילו בוואקום כי המבנים הננו- ⁇ שלהם לא רק מדביקים התנהגות וקרינה מוצקה, לא רק זיהום גז.

שיטות ייצור עבור Graphene- Based Insulators

הפחתת חומרים תרמיים המבוססים על גרפן ברמה גבוהה היא אתגר מפתח.כבישים סינתזה מספריים נחקרים:

המונחים: CVD

CVD משמש לייצור גדול-area, באיכות גבוהה סרטי גרפן על נחושת או ניקל substrates. אלה סרטים ניתן לערעור או מועבר כדי ליצור סרטים רב-שכבה עם תכונות תרמיות מבוקרות.עם זאת, גרפן CVD הוא יקר ובדרך כלל דורש העברת שלבים המציגים פגמים. עבור יישומים בידוד, גרפן קורות חיים הוא מתאים יותר להפצת חום מאשר insulators.

Graphene Oxide (GO) ו- מופחת Graphene Oxide (rGO)

תחמוצת Graphene מיוצרת על ידי חמצון גרפיט, אשר exfoliates לתוך הסדינים שניתן השעתה במים. אלה גליונות GO ניתן לאסוף לתוך סרטים, קצף, או aerogels. Chemical או תרמי הפחתות להמיר את GO לתוך תחמוצת גרפן מופחת (rGO), לשחזר כמה של מוליכות חשמלית ותרמית.ה התהליך הוא קנה מידה וחסכוני, מה שהופך את השיטה הנפוצה ביותר עבור יצרני חומרים גרפים המבוססים על ידי גרפים.

האסיפה המוסכמת

באמצעות תבניות כמו גבישי קרח (ניקוי פיזור) או פיגומים פולימרים, גליונות גרפן ניתן ליישר לתוך מבנים היררכיים.זה מניב גללים עם צפיפות נמוכה מאוד ודחיסות גבוהה, מתאים יישומים הדורשים חוסן מכני בנוסף בידוד.

מדפסת 3D של Graphene Composites

ייצור אדקטי מאפשר שליטה מדויקת על הגיאומטריה והנפיחות של אינסולטורים מבוססי גרפן.על ידי ערבוב גרפן לפתרון פולימר או מצורף, צורות מורכבות ניתן להדפיס, ולאחר מכן לחטא או מופחת כדי ליצור מבני גרפן טהורים. גישה זו היא עדיין בשלב המחקר אבל מחזיקה הבטחה עבור רכיבים עתידיים חלליות.

תוצאות נוכחיות ותוצאות מבחן

כמה סוכנויות חלל וחברות תעופה הן בדיקות אינטגרטיביות של גרפים תרמיים המבוססים על בסיס הקרקע ועל לווייני לוח.לדוגמה, סוכנות החלל האירופית (ESA) מממנת פרויקטים לפיתוח גרפן אווירלים עבור הגנה תרמית של מכשירים רגישים על המשימה ExoMars. בדיקות ראשוניות מראות כי 5 מ"מ גרף עבה aerogel יכול להפחית את ההעברה על ידי 80% לעומת קצף קונבנציונלי.

במחקר אחר, החוקרים מאוניברסיטת סוררי הראו כי ניתן להשתמש בסרטים המבוססים על גרפן כמשטחי קירור קורנים, השגת טיפות טמפרטורה של כמה מעלות תחת אור שמש ישיר. פונקציונליות כפולה זו - בידוד וקירור רדיואקטיבי - רצוי מאוד עבור חלליות שחייבות לשמור על טמפרטורה פנימית יציבה למרות החשיפה הסולארית משתנה.

חברות פרטיות כמו SpaceX ו-Blue Origin גם חוקרות את התרכובות של גרפן עבור כלי הרכב הדור הבא שלהם.בעוד פרטים הם קנייניים, פטנטים ומחקרים שפורסמו מצביעים על עניין בשימוש בחומרים המבוססים על גרפן במערכות הגנה תרמיות על שלבים רקטות וקאפסולות צוות.

למידע נוסף על מחקר מתמשך, מתייחס לפרוייקט ניהול תרמי של ESA (FLT:0ESA) ו-(FLT:2NASA מחקר על חומרים מתקדמים FLT 3: 3).

אתגרים ושיקולים

למרות התכונות המבטיחות, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני בידוד מבוסס גרפן הופך סטנדרטי בחלליות.

הפקה: Defect-Free Production

הפחתת כמויות גדולות של גרפן עם איכות עקבית נשאר קשה.נוכחות פגמים - כגון vacancies, גבולות דגנים או קבוצות חמצן חי - יכול להשפיע לרעה על ביצועים תרמיים ומכניים.

יציבות לטווח ארוך בסביבה

חומרי חלל חייבים לסבול חמצן אטומי (בסביבות כדור הארץ נמוכות), קרינה אולטרה סגולה, רכיבה תרמית ואקום. בעוד גרפן מראה יציבות פנימית טובה, הביצועים שלה בצורות מורכבות לאורך שנים או עשורים עדיין לא מאופיין לחלוטין.בדיקות חשיפה לטווח ארוך בתחנת החלל הבינלאומית (ISS) נמצאים בעיצומו לאסוף נתונים.

שילוב עם מערכות חלל קיימות

הצבת חומר מאוזן היטב כמו MLI דורש הסמכה נרחבת וההסמכה. מהנדסי חלל הם שמרניים מטבעם - הם מסתמכים על רכיבים מוכחים לטיסה.הצגת בידוד מבוסס גרפן פירושה פיתוח שיטות חדשות של חיבור, פרוטוקולים איכותיים ותהליכי תיקון. שיתוף פעולה בין מדענים חומריים, מהנדסים תרמיים וגופי חלל חיוני לאימוץ.

עלויות עלויות עלויות

כיום, גרפן באיכות גבוהה יכול לעלות מאות דולרים לגרם.עבור לווינים גדולים או כלי רכב שיגור, העלות של בידוד גרפן עשוי להיות אסרטיבי.עם זאת, כמו שיטות ייצור בוגר וביקוש, המחירים צפויים לרדת. בטווח הקרוב, גרפן יכול לשמש באופן סלקטיבי עבור רכיבים קריטיים שבו חיסכון המוני להצדיק את העלות, ולא עבור חלליות שלמות.

כיוונים עתידיים ומחקר

שדה חלליות המבוססת על גרפן תרמי הוא מתקדם במהירות.מספר שדרות מרגשות נמצאים תחת חקירה:

• (FLT:0) מבנים פוריים פוריים: קיד 1 (שלב גרפן עם ננו-חומרים אחרים (למשל, צינורות פחמן או ברון ניטריד) כדי ליצור אווירלים היברידיים עם התנהגות תרמית נמוכה יותר וכוח גבוה יותר.
• (FLT:0) אינטגרטיבית: ⁇ : ⁇ 1 (Ermal Insulation: ⁇ ) פיתוח תרכובות גרפן שיכול לשנות את מוליכות תרמית שלהם בתגובה לטמפרטורה או למתח החל.זה יאפשר שליטה תרמית פעילה ללא חלקים נעים או צריכת חשמל כבדה.
• (FLT:0) , Healing Graphene Materials:FLT 1 משלב מיקרו-capsules של סוכני ריפוי לתוך קצף גרפן לתקן נזק ממיקרו-מטאוריקואידים או מתח תרמי, המשתרע על פני החיים של בידוד.
• (FLT:0) אינטגרציה עם מבנים רב-תכליתיים: ⁇ FLT ( 1:1 עיצוב לוחות עומסים כי גם לספק בידוד תרמי והגנת קרינה, שילוב פונקציות מרובות לתוך מרכיב אחד.

מאמר שפורסם לאחרונה ב-FLT:0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.18: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

השוואה עם Insulators מתקדם

אינסולטורים המבוססים על Graphene אינם החומרים החדשים היחידים בהתפתחות.מועמדים אחרים כוללים קצף פחמן ננו-tube (CNT), ננופיברים קרמיקה, ואירוגלי פולימר.לכל אחד מהם יש את החוזקות שלו.

Material	Thermal Conductivity (W/mK)	Density (mg/cm³)	Radiation Resistance	Flexibility
Graphene aerogel	0.02 – 0.06	5 – 30	Excellent	Moderate
CNT foam	0.03 – 0.08	10 – 50	Good	Good
Polyimide aerogel	0.02 – 0.04	20 – 100	Poor	Excellent
Silica aerogel	0.015 – 0.03	3 – 15	Good	Brittle

Graphene aerogels מציעים פרופיל מאוזן: מוליכות תרמית נמוכה, צפיפות נמוכה, עמידות קרינה, וגמישות מתונה. כמו ייצור משתפר, הם עשויים להיות חומר של בחירה עבור בידוד חללי הדור הבא.

מסקנה

חומרים המבוססים על Graphene מייצגים צעד משמעותי קדימה ב בידוד תרמי של חלליות.שילוב ייחודי של צפיפות נמוכה, כוח גבוה, סובלנות קרינה, ו מוליכות תרמית טוטלי עושה אותם אידיאליים עבור התנאים התובעניים של החלל.למרות אתגרים בקנה מידה הייצור, עלות, ואימות לטווח ארוך נשאר, מחקר מתמשך וניסויים בטיסה הם מנקה בהתמדה את הנתיב.

תעשיית החלל עומדת על סף מהפכה חומרית.על ידי אימוץ ננוטכנולוגיה ומורכבים מתקדמים, מהנדסים יכולים להתגבר על אחד המגבלות הוותיקות ביותר של טיסה חלל: הקרב נגד טמפרטורות קיצוניות. Graphene מציע פלטפורמה תכליתית כדי לנצח את הקרב הזה עם פתרונות בידוד קלים, חזקים יותר, חכמים יותר.הגבול הסופי הוא קרוב מתמיד, וגרפן עוזר לגשר על הפער.

לקריאה נוספת על יישום nanomaterials in aerospace, The FPLT:0ESA חומרים מתקדמים PageFLT:1 מספק סקירה של יוזמות מתמשך.