Uzay araştırmaları, aşırı sıcaklıklara ve sert çevresel koşullara dayanabilecek malzemeler talep eder.Bu malzemeler, uzay misyonlarının kriyojenik soğuklarına önemli ölçüde iyi bir şekilde ulaşabilen özelliklerin bir kombinasyonunu sunar. Bu makale, nanoteknolojideki son gelişmelerin ardındaki en kritik sorunlardan biridir.
Graphene ve onun termal Özellikleri
Graphene, iki boyutlu hexagonal lattice'de ayarlanan tek bir atomik karbon atom tabakasıdır.Baspektif olarak bilinen diğer karbon tümotropes'in temel yapısal ünitesidir, karbon nanotüpler ve tamerenes. Ancak, ısı yalıtım uygulamaları için grafiksel yalıtım için grafiksel olarak ısı geçişi için bu iletkenliği belirli yönlerden etkin bir şekilde kontrol etmek için.
Mühendislik grafiğiene'nin kompozitlere, köpüklere veya aerogellere göre, araştırmacılar yüksek yüzey alanını ve mekanik gücünü geleneksel aerogellere ve köpüklere ek olarak, grafikene'nin yüksek emissivitelerine sahip olabilirler.Bu grafikte ısıtıcılar ısıtılabilir, bu da termal kontrol sistemleri için yararlı olabilir.
Uzaylı Aydınlatma için Grafikli Malzemenin Anahtar Özellikleri
Yüksek Termal Direniş ve Anisotropic Davranış
Grafene tabanlı malzemeler, anisotropic termal iletkenliği sergilemek için tasarlanmıştır - uçağın içindeki ısıyı korumak için daha sonra bir yüzeyde (sıcak yayılmak için) yayılabilir, ancak bu tür yönlendirme kontrolün kapatılması, uzayın içindeki üniformalı sıcaklıklara sahipken hassas elektronikleri korumak için tasarlanmıştır.
Hafif Doğa
Her kilogram yörüngeye binlerce dolara mal oldu. Graphene en hafif 10 mg/cm3'ün altındaki bölgelerden biri - sadece 0.77 miligram veya köpükler gibi polimerler veya fibroz battaniyeler gibi geleneksel olarak onları ağırlıyor.
Dışsal Mekanik Güç
Düşük yoğunluklarına rağmen, grafikene ağırlık ile çelikten yaklaşık 200 kat daha güçlüdür. Bu güç titreşimleri başlatabilecek dayanıklı yalıtım panellerine, mekanik şoklara ve uzayda mikrometeoroid etkiler yaygındır. Graphene bazlı köpükler de yüksek esneklik sunar, çatlakları kırmadan eğri yüzeylere ve karmaşık geometrilere uymalarına izin verir.
Radyasyon Direnişi
Uzay ortamı kozmik ışınları ve güneş partiküllerinden iyonize radyasyon ile doludur. Birçok polimerler bu tür radyasyon altında bozuldu, özelliklerini izole etmek için uygun hale getiriyor. Graphene, kristal karbon materyali olmak, doğal olarak radyasyon hasarlarına karşı dirençlidir. Çalışmalar, grafikte bulunan kompozitlerin yapısal bütünlüğü ve termal performansı uzun süreli maruz kalmalarından sonra bile yüksek enerjili elektronlara ve elektronlara uygun hale getirdiğini göstermiştir.
Geniş bir Sıcaklık aralığı üzerinde ısınabilir
Grafene tabanlı malzemeler, uzayın soğuktan (yaklaşık 2.7 K) aşırı ısıtılması için birkaç yüz dereceye kadar stabil kalır. Vakumda, daha yüksek sıcaklıklara dayanabiliyorlar. Bu geniş operasyonel aralık, uzayın soğuk kısmından (yaklaşık 2.7 K) aşırı ısınmış bir atmosfer ısısına kadar (yaklaşık 2000 °C'ye kadar).
Geleneksel Uzaylı Dayanıklılık Malzemeleri Üzerinde Avantajları
Geleneksel uzay aracı termal insulators çok katmanlı yalıtım (MLI) Kapton veya Mylar, aerogels ve seramik fiber battaniyeler, endüstriye on yıllardır iyi hizmet ederken, bu grafikten bazlı malzemeler ele alınabilir.
- [FONT:0]Weight Re:[DÜDÜT:1] MLI battaniyeleri etkili ama birden çok katman ve uzayçılardan dolayı ağır olabilir. Graphene aerogels, ağırlıkta karşılaştırılabilir veya daha iyi bir yalıtım sunar.
- [0]Improv Heat Performance:[[Dönetici:0] Geleneksel aerogels kırılgandır ve zamanla bozulabilir. Graphene aerogels sadece daha sağlam değildir, ancak optimize edildiğinde daha düşük ısı iletkenliği elde edebilir.
- [FONT:0) Çok işlevli: [Dönetici: [Dönetici: [Dönetici:0) Katı-faklı malzemeler aynı anda ısı yalıtımı, elektrik iletkenliği ( statik şarj dağıtımı için), ve hatta elektromanyetik kalkanlama sağlar. Bu, ayrı alt sistemler için gerekli olan ihtiyacı azaltır, kütle ve karmaşıklık sağlar.
- [FONT:0]Flexability and Conformability:) MLI battaniyeleri garip şekillerde bilgilendirilmiş ve çalışkandır. Graphene köpükler, ısı sızıntılarına neden olan boşlukları düzeltebilir veya hatta baskılanabilir.
- [FONT:0]Vacuum Performansı:[Dönetici] Uzayın vakumunda, birçok insülatör sıkışık gaza güvenir; eğer gaz kaçışları, performans damlaları. Graphene aerogels ve köpükler, nano-gözlü yapılarda bile etkili bir şekilde işlev görebilirler, çünkü nano-gözlü yapılar sertleştirici sağlam iletkenlik ve radyasyona sahiptir, sadece gaz konveksiyona değil.
Graphene-Basedors için üretim yöntemleri
Yüksek kaliteli grafiklere dayalı termal insülatörlerin ölçeğinde azaltılması, önemli bir meydan okumadır. Çeşitli sentez rotaları araştırılır:
Kimyasal Vapor Deposition (CVD)
CVD, bakır veya nikel substratları üzerinde büyük kaliteli grafiklere sahip olmak için kullanılır. Bu filmler kontrollü termal özelliklerle çok katmanlı filmler oluşturmak için depolanabilir veya transfer edilebilir. Ancak, CVD grafiğiene pahalı ve tipik olarak kusurları sunan transfer adımları gerektirir.For yalıtım uygulamaları için CVD grafiklerene, ısıtıcılardan daha uygun ısıtılır.
Graphene Oksit (GO) ve Graphene (rGO) azaltıldı
Graphene oksit, oksitleyici grafikler tarafından üretilir, bu da su altında askıya alınabilir. Bu GO çarşaflar filmlere, köpüklere veya aerogels. Kimyasal veya termal azaltım transformasyonlara dönüştürülür, bazı elektrik ve termal iletkenliği geri alabilir.
Şablon-Assisted Assembly
Buz kristalleri (özgürleştirici) veya polimerik scaffolds, grafikene çarşaflar, hiyerarşik yapılara uygun olabilir. Bu, aşırı düşük yoğunluk ve yüksek sıkıştırılabilirlik ile aerogels verir, yalıtıma ek olarak mekanik direnci gerektiren uygulamalar için uygundur.
Graphene Kompozitlerin 3D Baskısı
Katkı üretimi, Geometri ve grafiksel insülatörlerin saf kontrolünü sağlar. Grafik veya bir polimer veya binder çözümü karıştırarak, karmaşık şekiller yazdırılabilir veya saf grafik yapılar oluşturmak için azaltılabilir.Bu yaklaşım hala araştırma aşamasındadır, ancak gelecekteki uzay aracı bileşenleri için söz verir.
Mevcut Uygulamalar ve Test Sonuçları
Çeşitli uzay ajansları ve havacılık şirketleri, ExoMars misyonunda hassas aletlerin termal korunması için aktif olarak test ediyor. İlk testler 5 mm kalın bir yüzeyle ısı transferini geleneksel köpükle kıyasla% 80 oranında azaltabileceğini gösteriyor.
Başka bir çalışmada, Surrey Üniversitesi'nden araştırmacılar, grafiksel soğutma yüzeyleri olarak kullanılabilecek, sıcaklık damlalarını doğrudan güneş ışığından elde edebilecek şekilde sergilediler. Bu çift işlevsellik - tebrik ve radiative soğutma - farklı güneş maruziyetine rağmen istikrarlı iç sıcaklıklar sağlamalıdır.
SpaceX ve Blue Origin gibi özel şirketler de gelecek nesil araçlar için grafik kompozitleri araştırıyorlar. detaylar özel olarak, patentler ve yayınlanan çalışmalar, grafen bazlı malzemeler kullanarak yeniden kullanılabilir roket aşamaları ve mürettebat kapsülleri için ilgi gösteriyor.
Devam eden araştırmalar hakkında daha fazla bilgi için, [[0ESA'nın grafiksel yönetim projeleri) ve [[ENFLT:2) ileri malzemeler üzerinde bir araştırma).
Meydanlar ve düşünceler
Umut verici özelliklere rağmen, grafikten bazlı yalıtımdan önce birkaç engel standarttır.
Scalable, Defect-Free Production
Sürekli akış reaktörleri veya elektrokimyasal aşırılık grupları gibi, özellikle de rGO için çok sayıda grafikten oluşan üretim yöntemleri, özellikle de endüstriyel ölçekli sentez teknikleri ile ilgili olarak, sürekli akış reaktörleri veya elektrokimyasal exfoliasyon gibi.
Uzay Çevresinde Uzun Süreli Stability
Uzay malzemeleri atomik oksijene (orta Dünya yörüngesine) katılmalıdır, UV radyasyonu, termal bisiklet ve vakum.Perene, yıllar veya on yıllar boyunca kompozit formlarda performansları henüz tam olarak karakterize edilmez. Uluslararası Uzay İstasyonunda uzun süredir maruz kalma testleri değildir. Erken sonuçlar grafikte bulunan filmler -150°C ve +150°C arasında 1.000'den fazla termal döngüde hayatta kalabilir.
Mevcut Uzaylı Sistemleri ile entegrasyon
MLI gibi iyi düşünülmüş bir materyali yeniden kurmak, geniş bir nitelik ve sertifikasyon gerektirir. Havacılık mühendisleri doğa tarafından muhafazakardır - uçuşa dayalı bileşenlere güveniyor.Görünen bazlı yalıtım, yeni bağ yöntemleri, kaliteli güvenlik protokolleri ve onarım prosedürleri geliştirmek için gerekli olan.
Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet Maliyet
Şu anda yüksek kaliteli grafiklere gram başına yüzlerce dolar mal olabilir. Büyük uydular veya fırlatma araçları için, grafikten yalıtım maliyeti yasaklanabilir. Ancak, üretim yöntemleri olgun ve talep artışları olarak, fiyatların düşmesi bekleniyor. Yakın vadede, grafikene tüm uzay aracı için maliyeti haklı çıkarabilecek kritik bileşenler için seçici olarak kullanılabilir.
Future Yol ve Araştırma
Grafik tabanlı uzaysal yalıtım alanı hızla ilerliyor. Birkaç heyecan verici avenus araştırma altında:
- [FONT:0)Hierarchical Porous Structures:) Diğer nanomalzemelerle birlikte grafiken (örneğin, karbon nanotüpler veya boron nitride) daha düşük termal iletkenlik ve daha yüksek güçle karma aerogeller oluşturmak için.
- [FONT:0) Adaptif Termal Yalıtım: [Dönetici:[Dönetici:0) Katı yalıtımı:[Döneticileri değiştirebilecek grafiklerete kompozitler.
- [FONT:0)Kendi-Healing Graphene Malzemeler: İyileştirme ajanlarının mikroküresel köpükleri mikropüresel veya termal stresin hasarını tamir etmek için, yalıtım ömrünü uzat.
- [FONT:0) Multi işlevleri Yapılarla Integration:) Ayrıca ısı yalıtımı ve radyasyon kalkanı sağlayan paneller tasarlarken, tek bir bileşene birden çok işlev kazandırıyor.
Son zamanlarda yayınlanan bir yazı:0Doğasal İletişim[Dönetici: 1) Bir grafiksel-silica aerogel, 0.04 W /mK'nın vakumda ısı iletkenliği elde eden, geleneksel aerogellerin iki faktör tarafından kurtarılabilir.Bu malzemeler, derin uzay araştırmaları ve yörünge platformları için termal tasarıma devrim yapabilir.
Advancedors ile Karşılaştırma
Graphene tabanlı insulators gelişimdeki tek yeni materyaller değildir. Diğer adaylar karbon nanotüp (CNT) köpükler, seramik nanofiberler ve polimer aerogels içerir.
| 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 dengeli bir profil sunuyor: düşük termal iletkenlik, düşük yoğunluk, radyasyon direnci ve orta esneklik. Üretim büyüdükçe, gelecek nesil uzay aracı yalıtım için seçim materyali haline gelmek olasıdır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Grafene tabanlı malzemeler uzaydaki zorlu koşullar için ideal kılar, ancak uzun vadeli geçerlilik süresi, devam eden araştırma ve uçuş deneyleri sürekli olarak yol açabilir.In the graphene-based insulatorlar into the commercial for production scale, cost, and long-term validation stay, the same on yıl içinde, Graphene-based insulators into the correct-space probes, teamed space, and deep-space probes, let.
Uzay endüstrisi bir materyal devrimin eşiğinde duruyor. nanoteknolojiyi ve gelişmiş kompozitleri kucaklayarak mühendisler uzay ışığının en eski kısıtlamalarından birini aşabilir: Aşırı sıcaklıklara karşı savaş. Graphene, bu savaşı daha hafif, daha güçlü ve daha akıllı yalıtım çözümleri ile kazanmak için çok yönlü bir platform sunuyor.
Uzayda nanomalzemelerin uygulanması hakkında daha fazla okuma için, [[Dönetici:0]ESA Advanced Materials page[Dönetici: 1) devam eden girişimlerin genel bir bakışını sağlar.