Uzaycraft'daki Termal Yönetimin Eleştirel Meydan

Uzaylı aşırılık tarafından tanımlanan bir ortamda çalışır. Düşük Dünya yörüngesinde, bir uydu, güneş ışınlarını 1.200 W /m2'yi güneşe doğru çeviren bir tarafta, gölgeli sistemler ve bilimsel araçlara doğru iten temel bir gerekliliktir -200 °C. Doğru ısıtımı, hassas ısı tutma, veya ötesindeki yüzeyler daha şiddetli hale gelir. Etkili ısı kontrolü lüks değildir.

Geleneksel uzay aracı termal kontrol, pasif ve aktif yöntemler karışımına dayanıyor: Aşırı ısıyı döken radyatörler, çok katmanlı yalıtım battaniyeleri, ısı boruları minimum işletim sıcaklıklarını koruyan ısıtıyor ve ısıtıcılar.Bu sistemler çalışması, ancak önemli bir karbon katmanı ekliyorlar, her türlü ısı, mekanik ve elektriksel donanımlar, yakıtlar veya yapı için nasıl şarj edilebilir.

Graphene'nin Benzersiz Termal Özellikleri

2004 yılında Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından keşfedin, grafikene iki boyutlu balcomb lattice'de ayarlanan karbon atomlarından oluşur. ısı iletkenliği yakında lg.0.000 ila 5.000 W /m·K) askıya alındıktan sonra, daha yüksek bir optikte veya elmas haline getirilen yüksek performanslı bir taşıyıcıya kadar yüksek çözünürlükte yer alan bir miktar daha yüksek çözünürlükte.

Çiğ iletkenliğin ötesinde, grafikene uzay uygulamaları için diğer termal avantajları sunar:

  • [FONT:0]Anisotropic ısı transferi:) Heat son derece verimli bir şekilde uçakta seyahat eder, ancak grafikte flakes yönlendirmesi ile ayarlanabilir.
  • [FONT:0) Yeterli öznellik: Graphene'in kızılötesi eşdeğerliği, hem de ısının reddedilmesi ve tutulması için seçici ısı radyasyonu etkinleştirilebilir.
  • [DÜDÜ:0) Birim hacmi başına düşük ısı kapasitesi: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜDÜ:0) Sürekli Grafik Filmleri, namülsüz Güç sistemlerindeki geçici termal yönetim için faydalı olan sıcaklık değişikliklerine hızla yanıt verir.

Bu özellikler sadece akademik değildir. Doğrudan mühendislik avantajlarına tercüme ederler: incelikli termal kayışlar, hafif radyatörler ve daha duyarlı sıcaklık yönetmeliği – tüm bunlar vakum veya radyasyon altında performanstan ödün vermeden.

Graphene'yi Konvansiyonel Termal Kontrol Malzemelerle Karşılaştırmak

Copper ve alüminyum

Bakır ısı iletkenliği (yaklaşık 400 W /m·K) ve alüminyumun (yaklaşık 237 W /m·K) onları uzay aracında ısı yayıcıları ve termal yüzeyler için standart seçimler yaptı. Ancak, onların yoğunluk (8.96 g/cm3 ve 2.70 g/cm3, grafiklere sahipken, karbon-karbon bağlar istikrarlı kalır.

Elmas ve Karbon Köpükleri

Sentetik elmas (yaklaşık 2.000 W /m·K) mükemmel iletkenlik sağlar, ancak makineye zor ve serttir. Karbon köpükleri iyi ısı transfer sağlar, ancak tipik olarak kalın ve yapısal katılık eksikliği vardır. Graphene- bazlı köpükler veya aeros, diğer yandan, yüksek ısı iletkenliği mekanik esnekliği ve son derece düşük yoğunlukla birleştirir (1-10 mg/cm3).

Karbon Fiber ve CNT Kompozitleri

Karbon fiber ve karbon nanotüp (CNT) kompozitler hafif termal yönetim için kullanılmıştır. Graphene genellikle metallerde, elektrotlarda veya metallerde termal arayüz malzemeleri oluşturmak için veya grafikte üretilen performans ile (GO) belirli uzay araçlarına göre üretilir.

Uzay için İmalat Grafene: Scalability and Quality

Yaygın kabul için birincil engellerden biri, grafiksel buhar (CVD) yüksek hacimli nanoparçacıklar elde etmek için uygun olan, daha yapısal kusurlarla el yapımına uygun olan transfer süreçleridir.For space values and requires transfer processes that can introduce scaleite into Graphics and next reduce amounts of grafiklere, albeit more structural imperfections.For operator termik kontrol, where reliable and predictability are moneymount.

Elektrokimyasal ekfoliasyondaki son gelişmeler, oar exfoliasyon ve flaş Joule ısıtma, olağanüstü üniforma filmlerini üretmek için mikrogravity'in ölçeklendirilmesine yönelik olarak ilerleme kaydetti. XGur Sciences ve Haydale, endüstriyel ölçekli süreçler geliştiriyor. NASA ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA) aynı zamanda ajansın ilgisini çeken bir sonraki ısıl grafikte de vurgular.

Uzayda Grafiksel Kontrol Uygulamaları

Termal Interface Malzemeler (TIMs)

Sıcak elektronik bir bileşenden hareket etmeli (örneğin, bir güçlendiricisi veya işlemci) bir ısı lavabosu veya radyatöre geçişli TIMs, faz değiştirme malzemeleri veya metal folyolar genellikle vakum altında veya termal bisikletten sonra yayınlanır. Graphene- bazlı TIMs, dikey olarak hizalanmış grafikler veya grafiklerden oluşan bir grafik-polimer kompozitler, binlerce döngüden sonra bile düşük ısı direnci koruyabilir.

Termal Raflar ve Braids

Esnek termal yüzeyler hareket eden arayüzler arasında ısı taşımak için kullanılır, örneğin bir gimboled anten ve sabit bir şapel arasında. Graphene bazlı folyolar veya karbon fiber-reinforced grafiklerene kompozitler, metalik torbaları daha düşük kütle ve eşdeğer ısı transferleriyle değiştirebilir.

Radyatör Kaplamalar ve Filmler

Uzaylı radyatörler, kızılötesi radyasyon olarak ısınıyor. İdeal radyatör yüksek kızılötesi emissivity ( ⁇ > 0.9) ancak düşük güneş absorptance (α < 0.2). Geleneksel beyaz boyalar (örneğin, AZ-93) bunu elde ediyor ancak atomik oksijen ve UV radyasyonundan uzun süredir vazgeçebilir. Graphene tabanlı kaplamalar, 8–14 μm bandında yüksek emissojenize yüzeyleri yansıtarak gelişmiş bir ortamda gelişmiş bir ortama sahip olabilir.

Heat Pipe and Loop Heat Pipe Wicks

Heat boruları, yüksek verandalar nedeniyle faz ısıtıcısı kullanan pasif cihazlardır.Kaçlı aksiyonla sıvıyı çeken wick yapı kritiktir. Graphene köpükler ve aerogels, özellikle yüksek ısı iletkenliği, iyi termal iletkenliği ve kimyasal inertness nedeniyle yüksek performanslı katlar olarak hizmet edebilir. Ayrıca kontakt ısı boruları azaltmak için ısı boru duvarı ile entegre edilebilir.

Yapısal Termal Yönetim Kompozitleri

En umut verici yönlerden biri çok işlevli yapıların geliştirilmesidir: ısıtıcı paneller aynı zamanda termal düzenlemeyi de ele geçirebilirler. örneğin, örneğin, grafikten yapılmış bir uydu otobüsü paneli, grafikten yapılmış karbon-fiber kompozitleri, doğrudan panelden ısıyı sağlayan bir malzeme yaratır.

Uzay Çevresinde Grafik Malzemeler Test

Uzay sadece bir vakum değil; atomik oksijen, ultraviyole radyasyon, şarj parçacıklar (protonlar, elektronlar), ve mikrometeoroidleri ile dolu. Herhangi bir malzeme bu stresleri degrad olmadan hayatta kalmamalıdır. Graphene olağanüstü bir dayanıklılık göstermiştir:

  • [FONT:0]Atomik oksijen direnci:[Dönetici:[Dönetici:0) Pristin grafiğiene büyük ölçüde atomik oksijen tarafından etkilenmez, birçok polimerden farklı olarak, bazı grafikene oksit formları daha hassas olabilir, ancak GO iyi bir direniş tutar.
  • [FONT:0)UV istikrar: [DÜDÜT:1] Graphene'in güçlü C-C bağları UV fotonları tarafından kolayca kırılamaz. Uzun süredir UV maruz kalma UV maruziyeti bazı kenarlara neden olabilir, ancak bu kaplamalar tarafından azaltılabilir.
  • [FONT:0)Radiation sertlik:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönüşüküm)[Dönüşükümlülükler, iç mekan ısı iletkenliği gibi bazı özellikleri geliştirebiliyor.

Birkaç deney zaten Uluslararası Uzay İstasyonu'na (ISS) grafikte malzemeler test etmek için akmıştır. NASA tarafından finanse edilen “Graphene Demonstrator” (Uluslararası Uzay İstasyonu Deneyi, MISSE) maruz grafiklere dayalı film ve kompozitler bir yıl boyunca uzay ortamına sahiptir.Relight analizi, minimum ısıtımı düzeltme gösterdi.

Graphene Hybrid Malzemeler: Diğer Nanomalzemelerle Enerjiler

En iyi termal kontrol çözümleri, grafikte diğer gelişmiş malzemelerle bir araya gelmekten gelebilir. Boron nitride nanotubes (BNNTs), örneğin yüksek ısı iletkenliği (3000 W /m·K) ve elektriksel olarak gerekli olduğunda elektriksel özelliktir. Graphene-BNNT hibrit filmleri yoğun elektronik olarak paketlenmiş elektronikler sırasında ısıtılabilir. Benzer şekilde, grafiksel-CNT hibrid aerogelslar, CNTs'in yüksek iletkenliğini kullanabilir.

Araştırmacılar ayrıca grafiksel faz-değişim materyalleri (PCMs) Paraffin balmumu veya diğer PCM'ler ile bir grafiksel köpük kullanarak, PCM'nin ısı depolama kapasitesi grafiksel yanıt ile bir araya gelir.Bu tür kompozitler ısı artışlarını yüksek güç ekipmanlarından absorbe edebilir, sonra yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş bir şekilde serbest bırakabilir, bu sıcaklık dalgalanmaları azaltır.

Challenges Ahead: Entegrasyon, Kazanılan Derece ve Maliyet

Söz konusu rağmen, grafiksel kontrol sistemlerinin daha önce birkaç engel uzay aracında standart hale gelir. İlk olarak, mevcut uzay mimarisi ile entegrasyon: grafik filmleri standart substratlara bağlanır veya büyütülmelidir (örneğin, yüksek kaliteli CVD grafikler için mevcut maliyetler yüksek değildir).

Ancak, trend pozitif. Grafik için üretim maliyetleri, geçen on yıl boyunca üretim tekniklerinin geliştirilmesi için boyutlandırma siparişleriyle düştü.Geçmiş Bayraklık ve endüstri analistleri 2030 yılına kadar, grafikte bazlı termal ürünler uzay uygulamaları için daha akut maliyete ihtiyaç duyuyor.

Future Prospects: Doğru Graphene-Dominant Termal Kontrol

Önümüzdeki gibi, grafikene tamamen yeni termal kontrol paradigmaları mümkün olabilir. Örneğin, elektriksel olarak izin verilen ısı panelleri ile yeniden yapılandırılabilir ısıtılabilir ısı profilleri, ısıtıcılar olmadan uzaydan ısıtılabilir veya hareket eden panjurlar ile ısıtılabilir.

Grafikte bile, kuantum sensörler ve süper iletken elektronik için termal bir demir olarak kullanmaya ilgi vardır, bu da mutlak sıfırın yakınında son derece istikrarlı sıcaklıklar gerektirir. Çünkü grafikene'nin termal iletkenliği düşük sıcaklıklarda bile yüksek kalır (kıtmak için metaller hassas dedektörlerin ağlayabilir).

Sonuçta, grafiken uzay aracına entegre edilmiş bir malzeme ile, uzay endüstrisi küçük uydular, yüksek çözünürlük görevleri yerine getirerek, grafikene-enhanced materyali ile bir yol sunar - ancak daha güvenilir olabilir ve daha yetenekli olabilir.

Dış kaynaklar için daha fazla okuma

  • [0]NASA Termal Yönetim Kontrol Teknolojisi Alanı[Dönetici:0)[Dönetici:0)
  • [FONT:0) Doğa İletişim: Graphene Termal Interface Malzemeler).
  • [FONTA Malzeme ve Süreçler Bölüm[Dönem: 1)
  • [0]Graphene Flagship – Uzay Uygulamaları).