Использование материалов на основе графена для усовершенствованной теплоизоляции космических аппаратов

Космические исследования требуют материалов, которые могут выдерживать экстремальные температуры и суровые условия окружающей среды. От пузырчатого тепла повторного входа до криогенного холода глубокого космоса, управление температурой является одной из самых важных проблем для проектирования космических аппаратов. Последние достижения в области нанотехнологий представили материалы на основе графена в качестве перспективных кандидатов для теплоизоляции космических аппаратов. Эти материалы предлагают уникальное сочетание свойств, которые могут значительно повысить безопасность, эффективность и долговечность космических миссий. В этой статье исследуются наука, стоящая за тепловыми изоляторами на основе графена, их преимущества перед традиционными материалами, текущие приложения и проблемы, которые остаются до того, как они станут стандартом в аэрокосмической промышленности.

Понимание графена и его термических свойств

Графен представляет собой один атомный слой атомов углерода, расположенных в двумерной гексагональной решетке. Это основная структурная единица других углеродных аллотропов, таких как графит, углеродные нанотрубки и фуллерены. Что делает графен исключительным для теплоизоляции, так это его способность эффективно проводить тепло в плоскости, а также модифицируемая для создания тепловых барьеров. Чистый графен имеет одну из самых высоких известных теплопроводностей - около 5000 Вт / мК при комнатной температуре. Однако для применения в изоляции цель состоит в том, чтобы контролировать эту проводимость, чтобы блокировать теплообмен в определенных направлениях.

Инженерно-конструкторские работы по превращению графена в композиты, пены или аэрогели позволяют исследователям использовать его высокую площадь поверхности и механическую прочность для создания легких пористых структур, которые улавливают воздух или вакуум и ингибируют теплопроводность. Эти термоизоляторы на основе графена могут быть настроены на очень низкую теплопроводность (до 0,02 Вт / мК), конкурируя или превосходя традиционные аэрогели и пены. Кроме того, высокая излучательная способность графена в инфракрасном диапазоне позволяет ему эффективно излучать тепло, что полезно для систем теплового управления космических аппаратов.

Ключевые свойства материалов на основе графена для изоляции космических аппаратов

Высокая термостойкость и анизотропная проводимость

Материалы на основе графена могут быть разработаны для демонстрации анизотропной теплопроводности - высокой в плоскости, но низкой в плоскости. Это означает, что тепло может распространяться по поверхности (полезно для распространения тепла), но заблокировано от проникновения через слой изоляции. Такое направленное управление бесценно для защиты чувствительной электроники от горячих или холодных внешних поверхностей при сохранении однородных температур внутри космического корабля.

Легкая природа

Каждый килограмм, запущенный на орбиту, стоит тысячи долларов. Графен является одним из самых легких известных материалов - один квадратный метр весит всего 0,77 миллиграмма. При образовании в аэрогели или пены изоляторы на основе графена невероятно легкие, часто с плотностью менее 10 мг / см3. Это делает их намного легче, чем обычные изоляторы, такие как полимерные пены или волокнистые одеяла, что позволяет значительно сэкономить массу для космических аппаратов.

Исключительная механическая сила

Несмотря на низкую плотность, графен примерно в 200 раз прочнее стали по весу. Эта прочность переводится в прочные изоляционные панели, которые могут выдерживать вибрации запуска, механические удары и микрометеороидные воздействия, распространенные в космосе. Пены на основе графена также проявляют высокую гибкость, позволяя им соответствовать изогнутым поверхностям и сложной геометрии без трещин.

Радиационная устойчивость

Космическая среда заполнена ионизирующим излучением от космических лучей и солнечных частиц. Многие полимеры при таком излучении деградируют, теряя свои изоляционные свойства. Графен, будучи кристаллическим углеродным материалом, по своей природе устойчив к радиационному повреждению. Исследования показали, что композиты на основе графена сохраняют свою структурную целостность и тепловые характеристики даже после длительного воздействия высокоэнергетических протонов и электронов, что делает их пригодными для длительных миссий.

Термическая стабильность в широком диапазоне температур

Материалы на основе графена остаются стабильными от криогенных температур (около абсолютного нуля) до нескольких сотен градусов Цельсия в инертных атмосферах. В вакууме они могут выдерживать еще более высокие температуры. Этот широкий рабочий диапазон охватывает все условия, встречающиеся в космических аппаратах - от холода глубокого космоса (около 2,7 К) до экстремальной жары атмосферного повторного входа (до 2000 ° C для систем тепловой защиты).

Преимущества перед традиционными изоляционными материалами космических аппаратов

Традиционные теплоизоляторы космических аппаратов включают многослойные изоляционные одеяла из алюминизированных каптонов или майларов, аэрогели и керамические одеяла из волокна. Хотя они хорошо служили отрасли в течение десятилетий, у них есть ограничения, которые могут быть устранены материалами на основе графена.

• Снижение веса: Одеяла MLI эффективны, но могут быть тяжелыми из-за нескольких слоев и спейсеров. Аэрогель графена предлагает сопоставимую или лучшую изоляцию при доле веса.
• Улучшенные тепловые характеристики: Традиционные аэрогели хрупкие и могут со временем ухудшаться. Аэрогели графена не только более прочные, но и могут достигать более низкой теплопроводности при оптимизации.
• Многофункциональность: Материалы на основе графена могут одновременно обеспечивать теплоизоляцию, электропроводность (для рассеивания статического заряда) и даже электромагнитное экранирование. Это снижает потребность в отдельных подсистемах, экономя массу и сложность.
• Гибкость и конформируемость: Одеяла MLI предварительно сформированы и их трудно адаптировать к нечетным формам.Пены из графена можно формовать или даже печатать в настраиваемых формах, улучшая форму и уменьшая зазоры, которые вызывают тепловые утечки.
• Вакуумная производительность:] В вакууме космоса многие изоляторы полагаются на захваченный газ; если газ ускользает, производительность падает.Аэрогели и пены графена могут эффективно функционировать даже в вакууме, потому что их нанопористые структуры препятствуют твердой проводимости и излучению, а не просто газовой конвекции.

Методы производства изоляторов на основе графена

В настоящее время рассматривается несколько путей синтеза, позволяющих производить высококачественные тепловые изоляторы на основе графена в масштабе:

Химическое осаждение паров (CVD)

CVD используется для производства крупнозонных высококачественных графеновых пленок на медных или никелевых подложках. Эти пленки можно укладывать или передавать для создания многослойных пленок с контролируемыми тепловыми свойствами. Однако графен CVD является дорогостоящим и обычно требует этапов переноса, которые вносят дефекты. Для применения в изоляции графен CVD больше подходит для распредителей тепла, чем для объемных изоляторов.

Оксид графена (GO) и уменьшенный оксид графена (rGO)

Оксид графена производится окислением графита, который отшелушивается в листы, которые могут быть суспендированы в воде. Эти листы ГО могут быть собраны в пленки, пены или аэрогели. Химическое или термическое восстановление превращает ГО в восстановленный оксид графена (rGO), восстанавливая часть электрической и тепловой проводимости. Процесс масштабируем и экономически эффективен, что делает его наиболее распространенным методом получения изоляторов на основе графена. Пористость и плотность конечного продукта можно настроить путем регулирования условий концентрации и сушки.

Сборка с поддержкой шаблонов

Используя такие шаблоны, как кристаллы льда (замораживание) или полимерные каркасы, графеновые листы могут быть выровнены в иерархические структуры. Это дает аэрогели с чрезвычайно низкой плотностью и высокой сжимаемостью, подходящие для применений, требующих механической стойкости в дополнение к изоляции.

3D-печать графеновых композитов

Аддитивное производство позволяет точно контролировать геометрию и пористость изоляторов на основе графена. Путем смешивания графена в полимерный или связующий раствор можно печатать сложные формы, затем спекать или уменьшать для создания чистых графеновых структур. Этот подход все еще находится на стадии исследования, но обещает будущие компоненты космических аппаратов.

Текущие приложения и результаты испытаний

Несколько космических агентств и аэрокосмических компаний активно тестируют графеновые теплоизоляторы на наземных объектах и на борту спутников. Например, Европейское космическое агентство (ЕКА) профинансировало проекты по разработке графеновых аэрогелей для тепловой защиты чувствительных приборов на миссии ExoMars. Первоначальные испытания показывают, что слой графена аэрогеля толщиной 5 мм может снизить теплопередачу до 80% по сравнению с обычной пеной.

В другом исследовании исследователи из Университета Суррея продемонстрировали, что пленки на основе графена могут использоваться в качестве радиационных охлаждающих поверхностей, достигая падения температуры на несколько градусов под прямым солнечным светом. Эта двойная функциональность — изоляция и радиационное охлаждение — очень желательна для космических аппаратов, которые должны поддерживать стабильные внутренние температуры, несмотря на различное солнечное воздействие.

Частные компании, такие как SpaceX и Blue Origin, также изучают графеновые композиты для своих автомобилей следующего поколения.Хотя детали являются собственностью, патенты и опубликованные исследования указывают на интерес к использованию материалов на основе графена для систем тепловой защиты на многоразовых ракетных ступенях и капсулах экипажа.

Для получения дополнительной информации о текущих исследованиях обратитесь к проектам графенового термоуправления ESA и NASA по передовым материалам .

Проблемы и соображения

Несмотря на многообещающие свойства, необходимо преодолеть несколько препятствий, прежде чем изоляция на основе графена станет стандартной в космических аппаратах.

Масштабируемое производство без дефектов

Производство большого количества графена с постоянным качеством остается трудным. Наличие дефектов, таких как вакансии, границы зерна или остаточные группы кислорода, может негативно повлиять на тепловые и механические характеристики. Современные методы производства, особенно для rGO, часто вносят изменчивость. Необходимы инвестиции в технологии синтеза промышленного масштаба, такие как реакторы непрерывного потока или электрохимическое отшелушивание.

Долгосрочная стабильность в космической среде

Материалы космических аппаратов должны выдерживать атомарный кислород (на низкой околоземной орбите), ультрафиолетовое излучение, тепловой цикл и вакуум. В то время как графен демонстрирует хорошую внутреннюю стабильность, его производительность в композитных формах в течение многих лет или десятилетий еще не полностью охарактеризована. Проводятся длительные испытания на экспозицию на Международной космической станции (МКС) для сбора данных. Ранние результаты показывают, что пленки на основе графена могут выживать более 1000 тепловых циклов между -150°C и +150°C без существенной деградации.

Интеграция с существующими космическими системами

Замена хорошо изученного материала, такого как MLI, требует обширной квалификации и сертификации. Инженеры аэрокосмической отрасли консервативны по своей природе - они полагаются на проверенные полетом компоненты. Введение изоляционных материалов на основе графена означает разработку новых методов связывания, протоколов обеспечения качества и процедур ремонта. Сотрудничество между учеными-материалистами, инженерами-термологами и интеграторами космических аппаратов имеет важное значение для упрощения принятия.

Стоимость

В настоящее время высококачественный графен может стоить сотни долларов за грамм. Для крупных спутников или ракет-носителей стоимость изоляции графена может быть непомерно высокой. Однако по мере созревания методов производства и роста спроса ожидается снижение цен. В ближайшей перспективе графен можно будет использовать выборочно для критических компонентов, где экономия массы оправдывает затраты, а не для всего космического корабля.

Будущие направления и исследования

Область теплоизоляции космических аппаратов на основе графена быстро развивается. В настоящее время исследуется несколько интересных направлений:

• Иерархические пористые структуры: Комбинирование графена с другими наноматериалами (например, углеродными нанотрубками или нитридом бора) для создания гибридных аэрогелей с еще более низкой теплопроводностью и более высокой прочностью.
• Адаптивная теплоизоляция:] Разработка графеновых композитов, которые могут изменять свою теплопроводность в ответ на температуру или приложенное напряжение. Это позволило бы осуществлять активное тепловое управление без движущихся частей или тяжелого энергопотребления.
• Самоисцеляющие графеновые материалы: Включение микрокапсул целебных агентов в графеновые пены для восстановления повреждений от микрометеороидов или теплового стресса, продлевая срок службы изоляции.
• Интеграция с многофункциональными структурами: Проектирование несущих панелей, которые также обеспечивают теплоизоляцию и радиационное экранирование, объединяя несколько функций в один компонент.

В недавней статье в журнале Nature Communications описан графен-кремниевый аэрогель, который достиг теплопроводности 0,014 Вт/мк в вакууме, превосходя обычные аэрогели в два раза. Такие материалы могут революционизировать тепловую конструкцию для зондов глубокого космоса и орбитальных платформ. Подробный обзор см. это исследование графеновых аэрогелей для экстремальных сред .