Giriş: Nanoteknolojinin Sonraki Nesil Heat Shields için Sözlüğü

Uzaylı Dünya atmosferini yeniden başlattı 1,600 °C (2,900°F), hava moleküllerinin sıkıştırma ve sürtünmesi nedeniyle.Bu aşırı ısıdan gelen yolcuları korumak, uzun süre boyunca havacılık mühendisliğinin en büyük zorluklarından biri oldu. Geleneksel termal koruma sistemleri (TPS), Apollo kapsülleri ve Uzay Araçlarını güçlendirdi.

Son iki yılda, nanoteknoloji, malzemelerde dönüştürücü bir güç olarak ortaya çıktı. Nanoscale'te ( 100 nanometreye kadar), araştırmacılar, nanomalzemelerin radikal olarak gelişmiş termal, mekanik ve kimyasal özellikleri ile malzemeleri yeniden şekillendirebilir. Sıcaklık koruyucusu için uygulandığında, nanoteknoloji sadece ısı direncini artırmak için değil, aynı zamanda uzay ışığından önce kalan engelleri azaltmak için vaat eder.

Heat Shields ve Onların Eleştirel Rollarını Anlamak

Bir ısı kalkanı (veya termal koruma sistemi) bir uzay aracının dış katmanıdır, absorbe etmek, yansıtacak veya atmosferik re-entry sırasında üretilen muazzam ısı flux'ı parçalamak için tasarlanmıştır.TPS olmadan, bir uzay koruyucusu yanacaktır.

  • [FONT:0]Abalative kalkanlar [[Dönetici: Bu çalışma, Stardust ve Mars Bilim Laboratuarı görevlerini yerine getiren, ısı taşımak için güvenilir ama tek kullanımlık ve nispeten ağır örneklerdir.
  • [FONT:0]Reusable kalkanlar[[Dönemli: 1) Bu, birçok uçuşta bütünlüğünü koruyor, karbon karbon karbon karbon karbon karbon karbon karbon karbon karbon karbon karbonu (RCC) veya seramik karolar gibi takviyeli ısıyı uzak tutuyor.

Her iki yaklaşım da temel sınırlamalara sahiptir: ablacı kalkanlar ağır ve genişletilebilir; yeniden kullanılabilir kalkanlar zaman içinde kırılabilir veya uzun süre mücadele edebilir ve aşırı termal gradients ile mücadele eder. Nanoteknoloji, her birinin en iyi özelliklerini birleştiren hibrit malzemeler yaratarak bu ticaret-offları aşmanın bir yolunu sunar.

Nanoteknoloji Heat Shield Performansı Nasıl Geliştirilir

Nanoteknoloji, tam olarak kontrol edilen mikroyapılarla malzemelerin tasarımını sağlar. Nanoscale, yüzey alanı, kuantum etkiler ve hata mühendisliği baskın hale gelir, büyük malzemelerde ulaşılamayan özelliklere yol açar.

Nanokompositler: Üstün Termal Direniş

Nanokompoitler nanopartikülleri (örneğin karbon nanotüpler, grafikler veya seramik nanopartiküller) bir matrixe -tip olarak bir polimer, seramik veya karbon bazlı binder. Nanopartiküller, yağdıran ve ısı koruyucularını azaltabilecek bir ağ oluştururlar (örneğin, ısı pompasının daha uzun süre kalmasına izin verir. Örneğin, nanotartiküller dahil olmak üzere, polimerler (MWCNTs) bir polimere eklenebilir.

Ames Research Center[Dönetici 1 ) tarafından yapılan önemli bir çalışma, daha sonra ısı akışı yönünden% 40 daha yüksek ısı iletkenliği ile üretilen karbon nanofiberlerin ağırlığıyla 2-5% değerinde bir felci reçinenin yüklendiğini göstermiştir.

Geliştirilmiş Durability ve Crack Direnişi

Geleneksel ısı kalkanı malzemeleri, termal bisiklet (kesinme ve soğutma sırasındaki kontrasesyon ve sözleşme) nedeniyle mikrokırıklardan muzdarip olabilir.Bu çatlaklar ortaya çıkar ve nanofiberler, üniformalı büyüme Araştırmacıları, yüksek yönleri ve çekme işlemine yol açabilir (karbonatları) çelikten 100 kat daha güçlüdür.

Bu gelişmiş sertlik özellikle mikrometeoroid veya enkazdan etkilenecek, bakım maliyetlerini azaltmak ve güvenliği artırmak için çok daha dirençli olacaktır.

Aşağı Başlangıç Maliyetleri için Kilo Azaltılması

Her kilogram uzay aracı kütlede kaydedilen ağırlık, yüksek veya daha büyük güçlere tercüme eder - düşük Dünya yörüngesine kadar yaklaşık 10.000 $ 'a kadar ve derin uzay için daha fazla. Nanoteknoloji, nanoparçacıklarla birlikte kilo azaltmayı sağlar: ilk olarak, daha ağır geleneksel malzemeleri daha hafif nanotüplü ısı kalkan tabakaları içeren bir ısı koruyucu tabakası sağlar, çünkü malzeme daha verimlidir. Aerogels (ultra-düşük-düşük katılar) nanoparçacıklarla bir şekilde bir araya getirerek, bir asırık ısı koruyucusu ile birlikte, daha kalın bir ısı koruyucusu sağlar.

NASA'nın İleri Araştırma Sistemleri[[Dönetici:0)[Dönetici:0) İleri Araştırma Sistemleri[Dönetici:0)[[Dönetici: 0)) Programı, aynı termal performansı korumak için standart PICA gibi malzemelerden% 30 daha hafif olan bir sınıf test etti.Bu tür indirimler, uzay aracının daha fazla ücret yükü taşımasına veya pervanant gerekliliklerini azaltmasına izin verebilir.

Heat Shield Development'de Anahtar Nanomalzemeler

Çeşitli özel nanomalzemeler ısı kalkan araştırmalarının ön plandadır. Aşağıda en umut verici adayların genel bir bakışıdır.

Karbon Nanotüps (CNTs)

Karbon nanotüpleri, 1 nanometre kadar küçük olan saf karbon molekülleridir. Olağanüstü termal iletkenliği sergiliyorlar (üç500 W /m·K boru eksenleri boyunca), yüksek basınç gücü ve mükemmel kimyasal stabilite. CNTs, tercihli yönlerde termal taşımayı artırmak için polimer ve seramik matrikslere dahil edilir ve ablasyon oranlarına ulaşır.

Graphene

Graphene, yüksek mekanik ve termal özellikleri ile karbonun tek atomik bir sayfasıdır.İki boyutlu geometri, ısı ve gaz difüzyonunu engelleyebilir. ısı kalkan uygulamaları, grafikte oksit (GO) pahalı kalır.

Seramik Nanopartiküller (Silica, Alumina, Zirconia)

Seramiklerin silik gibi nanoparçacıkları (SiO2), bir ışık (Al2O3) ve zirconia (ZrO2), yüksek erime noktaları ve düşük termal iletkenlikler yaratarak nanokompozisyon direncini geliştiriyorlar. Örneğin, 10 nm silik partiküllerini yüksek termal genişleme katlarına ekleyerek, metal yapıların genişlemesine yardımcı olabilir, çünkü nanopartiküller matrix yoluyla ısı akışını bozar.

Nanoklays ve Katmanlı Çift Hidrokitler

Bu tabakalı mineral nanopartiküller nano ölçekli plakalılara eklenebilir. Bir polimerde dağıldığında, ısı ve gaz için işkence edici bir yol yaratırlar, termal iletkenliği azaltır ve ablacıların serbest bırakılmasını yavaşlatırlar.Onlara maliyetle hassas görevler için cazip hale getirirler.

Üretim ve entegrasyon Challenges

Nanomalzemelerin laboratuvar büyüklüğü etkileyici olsa da, tam ölçekli ısı kalkanları için bu başarı önemli üretim engellerini sunar.

Üniforma Dispersion

Nanopartiküller, van der Waals kuvvetleri nedeniyle çok güçlü bir eğilime sahiptir. Birlikte karıştırılırlarsa, faydaları kaybolur ve agglomerates aslında zayıf noktalar haline gelebilir.Bir üniformalı dağıtım genellikle yüksek sesle karıştırılması, oğlumuz veya nanotartikül yüzeylerinin kimyasalizasyonu gerektirir.

Scalability and Cost

Yüksek kaliteli nanomalzemeler, bir uzay aracı için gerekli olan miktarlarda (örneğin, endüstriyel üretimdeki nanotüpler, CNTs için gramların yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Çevre ve Sağlık Endişeleri

Nanopartiküller, özellikle karbon nanotüpler, potansiyel sağlık riskleri açısından en iyilerle karşılaştırıldığında, bir uzay aracının re-entry (eğer herhangi biri) sırasında serbest bırakılan nanopartiküller, plazma izinde muhtemelen incinerated olabilir.

Nanocomposite Heat Shields'ın test ve Kazanılan Derecesi

Heat kalkan malzemeleri herhangi bir mühendislik uygulamasının en aşırı koşullarını hayatta tutmalıdır: yüksek ısı flux, yüksek hear, oksiting atmosferi ve sık sık plazma radyasyonu. Bu malzemeleri test etmek, nanoyapıt örnekleri içeren çok aşamalı bir süreçtir.

Arc-Jet ve Plazma Rüzgar Tüneli Test

Ortamdaki test tesisleri:0)NASA Ames Arc Jet Complex[Dönetici: 1 ) yüksek ental plazma akışları üreterek yeniden tanımlanabilen koşullara göre, Nanokomposite örnekleri 50 ila 1000 W /cm2'den fazla bir süre boyunca ısınmış PICA'ya kadar, nanoteknolojinin potansiyelini doğrulamaktadır.

Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Diferansiyel Tarama Calorimetri (DSC)

Laboratuvarda TGA, sıcaklıkla ilgili bir malzemenin kütlelerinin nasıl değiştiğini, başlangıç ve kömür verimini gösteren bir miktara geçiş yapar. DSC ölçüm ısı akışı, faz geçişleri ve reaksiyon kinetiği. Nanocompositler sürekli olarak daha yüksek termal stabilite gösterir (örneğin, daha yüksek sıcaklıklara indirgenir) ve daha yüksek kar verimleri ile ilişkilendirilir.

Mekanik Test

Flexural, çekme ve oda sıcaklığında sıkıştırma testleri ve yüksek sıcaklık maruziyeti nanokompozitlerin dayanıklılığını değerlendirmeden sonra. Fracture sertliği özellikle önemlidir -nanotube-reinforced seramikler 2-3 kez iyileştirmeler göstermiştir, onları birden fazla termal döngü hayatta kalmaları için uygun hale getirir.

Future: 3D Printing, Self-Healing ve Multifunction TPS

Sıcaklık koruyucu malzemelerinin sınırı sadece daha iyi ham malzemelerde değil, gelişmiş üretim ve roman konseptlerinde. Nanoteknoloji bu gelişmelerde merkezi bir rol oynar.

Nanocomposite Heat Shields'ın Katkısı

3D baskı (additive Manufacturing), ısı koruyucularının karmaşık içsel geometrilerle yaratılmasına izin verir - örneğin yerel özellikler için sınıflanmış porselen veya kanal ağları - nanoparçacıkların yüksek ısı yansımaları ve daha düşük bir konsantrasyon ile birlikte baskı altında veya makineli bir şekilde baskı altında basılabilir.

Kendi kendini kınayan Nanokompositler

Biyolojik sistemlere ilham veren araştırmacılar, aracı kapatmaya zorlayan malzemeler geliştiriyorlar.Bir yaklaşım, bir şifa aracı (örneğin, bir çatlaklar ve bir katalizör), bir çatlak matrisi ile dolu mikrokapıları içeriyor.

Çok işlevli ısı Shields

Neden sadece ısıdan koruyan bir ısı kalkanı var? Nanoteknoloji, kilo vermeden ek fonksiyonların entegrasyonunu sağlar. Örneğin, karbon nanotüpler, yeniden tanımlı bir görev profilleri sırasında kritik bir telemetri sağlayabilir ve daha fazla adaptif bir görev profiline izin verebilir.

Meydanlar ve Yol İleri

Sıcaklık kalkanlarında nanoteknolojinin yaygın olarak benimsenmesine rağmen, düşük Dünya yörüngesinde birçok engele ihtiyaç vardır. Uzun vadeli dayanıklılık uzay koşullarında (vacuum, UV radyasyonu, atom oksijeni) doğrulanmalıdır. Örneğin, karbon nanotüpler, düşük Dünya yörüngesinde yaygın olarak azalmaya neden olabilir.

Standartlaştırma ve yeterlilik diğer engellerdir. Havacılık malzemeleri titiz sertifikasyon süreçleri geçmelidir (örneğin, NASA'nın 03.02.0)NASA-STD-5001). Nanokomitler yavaş sertifikasyon ve üretim olgunları olarak, düzenleyici bedenler nanomalzemelere özel kılavuzlar geliştirmeleri muhtemeldir.

Sonuç: Uzay Keşfeti için Nanoteknolojiye Enabled Future

Nanoteknoloji ve ısı kalkan malzemelerinin kesiştiği, havacılık mühendisliğindeki en heyecan verici sınırlardan birini temsil eder.Bu ilerlemeler karbon nanotüplerin, grafiklerene, seramik nanopartiküllerin ve diğer nanomalzemelerin, mühendisler daha hafif, sert ve daha fazla ısıya dayanıklı sistemlerin tasarımını yapabilirler.

Zaten, laboratuvar testleri ve küçük ölçekli gösteriler konsepti doğruladı ve NASA'nın gezegensel görevleri gibi ilk kabul edilenler nanomalzeme geliştirmeleri dahil etmeye başlıyor. Üretim ölçekleri ve maliyetleri azaltılıyor, nanocomposite ısı kalkanları muhtemelen yeni standart haline gelecektir, her iki kamu ve özel alanda da geleneksel malzemeleri değiştirir.