Od statku flagowego po kosmiczny: dwa eksperymenty przesuwają granice potencjału grafenu

Dziesięcioletni projekt Graphene Flagship, częściowo finansowany przez UE, uruchomiony został w celu badania technologicznego potencjału grafenu i innych podobnych materiałów na potrzeby przyszłych zastosowań. Członkowie zespołu badawczego tej inicjatywy przeprowadzili niedawno dwa eksperymenty, aby po raz pierwszy przeanalizować przydatność grafenu w zastosowaniach kosmicznych. Eksperymenty przeprowadzone we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną i innymi partnerami polegały na przetestowaniu materiału w warunkach nieważkości pod kątem napędu na bazie światła oraz zastosowań w sterowaniu termicznym; uzyskane wyniki są niezwykle obiecujące.

Czy przestrzeń kosmiczna jest nową granicą dla grafenu?

Niepowtarzalne właściwości termiczne, świetlne, wytrzymałościowe i wagowe grafenu czynią z niego idealnego kandydata do podniesienia wydajności w zastosowaniach lotniczych i kosmicznych. Podczas serii eksperymentów przeprowadzonych pod koniec roku naukowcy z projektu Graphene Flagship sprawdzali konkretnie możliwość użycia tego materiału do poprawy napędu w przestrzeni kosmicznej oraz w systemach sterowania termicznego i zapętlonych obwodach grzewczych.

W eksperymentach z żaglem słonecznym zespół absolwentów Uniwersytetu Technicznego w Delft, Holandia skorzystał z warunków mikrograwitacji (gdzie siła grawitacji spada do jednej milionowej grawitacji ziemskiej) w 146-metrowej wieży zrzutowej ZARM w Niemczech, aby sprawdzić wykorzystanie grafenu w żaglach świetlnych. Zespół zaprojektował swobodnie unoszące się membrany grafenowe, które następnie wystawiono na działanie ciśnienia promieniowania wytwarzanego przez lasery, aby sprawdzić ich reakcje i zmierzyć, jaki wygenerują ciąg. Aby przezwyciężyć początkowe trudności techniczne, zespół przeprowadził pięć prób eksperymentalnych. Osiągnięto niemal 10 sekund nieważkości poprzez katapultowanie kapsuły z eksperymentem w górę i w dół, w próżni.

W drugim eksperymencie badano, jak można usprawnić przesył ciepła w zapętlonych przewodach grzewczych (systemach chłodzenia wykorzystywanych powszechnie w satelitach) dzięki przedłużonej żywotności i autonomii, wykorzystując grafen. Porowata powłoka metalowa pokrywająca metalowe knoty w przewodach, służące do przesyłania ciepła do cieczy celem schłodzenia układu, została zastąpiona dwoma materiałami powiązanymi z grafenem. Przetestowano je następnie pod kątem podwyższonej przewodności cieplnej podczas dwóch lotów parabolicznych ESA – mikrograwitacyjnego i hipergrawitacyjnego. W trakcie 3-godzinnego lotu specjalnie zmodyfikowany samolot wykonał 30 parabolicznych wzlotów, osiągając około 25 sekund nieważkości przy każdej paraboli.

Wyniki obu eksperymentów wykazały wszechstronność grafenu i naukowcy uczestniczący w nich pogłębiają obecnie badania nad oddziaływaniem ciśnienia promieniowania na grafenowe żagle świetlne oraz pracują nad komercyjnymi przewodami cieplnymi na bazie grafenu.

Przyszłość to innowacyjni ludzie i innowacyjne produkty

Grafen – wytwarzany z warstwy węglowej o grubości zaledwie jednego atomu w formie dwuwymiarowej heksagonalnej siatki – cechuje się zarówno lekkością, jak i wytrzymałością (mówi się, że jest 200 razy wytrzymalszy od stali). Ponadto ma doskonałe właściwości elektryczne, mechaniczne, termiczne i optyczne, będąc przy tym niemal przeźroczysty. Cechy te czynią z niego niezmiernie interesujący materiał dla naukowców i inżynierów, którzy pracują nad całą gamą szybszych, cieńszych, wytrzymalszych i bardziej elastycznych produktów.

Aby zgłębiać potencjał grafenu z zamiarem zrewolucjonizowania różnych branż przemysłowych, generowania wzrostu gospodarczego i tworzenia nowych miejsc pracy, 10-letni projekt Graphene Flagship ma służyć pokazaniu całego łańcucha wartości, od materiałów po komponenty i systemy. Konsorcjum ekspertów akademickich i przemysłowych, w skład którego wchodzi około 150 partnerów z 23 krajów, koordynuje i prowadzi prace w różnych kierunkach badawczych. Bezpośredni wkład wnosi Komisja Europejska poprzez finansowanie oraz wyniki badań z innych finansowanych ze środków UE projektów, jak np. GRAPHENECORE 1.

Z czasem wyniki projektów pomogą w przybliżaniu konkretnych zastosowań na rzecz rozwoju. Ponadto misją inicjatywy jest zapewnienie szkoleń i możliwości prowadzenia awangardowych badań naukowych przez studentów i młodych naukowców.

Więcej informacji:
witryna Graphene Flagship
Żagle słoneczne – wideo zrzutu
Satelitarne pętle grzewcze – wideo z lotu