Wszechstronność grafenu znajduje zastosowanie w technologiach kosmicznych

Grafen posiada wyjątkowe właściwości mechaniczne, elektryczne i cieplne, co skłania naukowców do zbadania przydatności tej dwuwymiarowej struktury czystego węgla.

Naukowcy i studenci z inicjatywy badawczej Graphene Flagship we współpracy z ESA znaleźli dodatkowy potencjał dla tego materiału dotyczący jego wykorzystania w technologiach kosmicznych w tym w napędach lekkich i zarządzaniu energią cieplną. Efekty tej synergii stanowią pierwszy krok w kierunku poszerzenia granic badań nad grafenem.

Żeglowanie w kosmosie dzięki grafenowi

Breakthrough Starshot to przełomowy projekt badawczy i inżynieryjny, którego celem jest opracowanie testowej floty lekkich statków kosmicznych, które miałyby dotrzeć do układu gwiazdy Alfa Centauri w ciągu 20 lat od startu.

W ramach Graphene Flagship zespół absolwentów Uniwersytetu Technicznego w Delft w Holandii uczestniczących w programie ESA Education pn. „Drop Your Thesis!” zrobił pierwszy krok w kierunku urzeczywistnienia tego ambitnego celu. Program umożliwił im przeprowadzenie eksperymentu w warunkach mikrograwitacji w Centrum Technologii Kosmicznej Stosowanej i Mikrograwitacji (ZARM) w Bremie w celu przetestowania potencjału grafenu jako materiału do produkcji żagla słonecznego pełniącego funkcję napędu statków kosmicznych.

Aby uzyskać warunki mikrograwitacji, kapsuła zawierająca kamery, lasery i grafen była spuszczana ze 150-metrowej wieży, w wyniku czego znajdowała się w stanie nieważkości przez 4,5 sekundy. Ciśnienie promieniowania generowane przez światło lasera o dużej mocy padające na membranę grafenową powodowało poruszanie się żagla. Zespół mierzył to przemieszczenie za pomocą mikroskopu w celu określenia siły ciągu działającej na żagle grafenowe.

„Aby napęd był efektywny, lekki żagiel musi mieć dużą powierzchnię i być jak najlżejszy. Grafen spełnia te wymagania, ponieważ jest bardzo lekki i wytrzymały i może być rozwinięty na dużej powierzchni”, wyjaśnia prof. Andrea Ferrari (Uniwersytet w Cambridge w Zjednoczonym Królestwie), pracownik naukowy i technologiczny Graphene Flagship.

Grafen rozprowadza ciepło

Naukowcy z instytutów partnerskich Graphene Flagship – Wolnego Uniwersytetu Brukselskiego (ULB) (Belgia), Uniwersytetu w Cambridge (Zjednoczone Królestwo), bolońskiego oddziału włoskiej Narodowej Rady ds. Badań Naukowych (CNR) (Włochy) i Leonardo (Włochy) – zaprojektowali eksperyment mający na celu sprawdzenie, w jaki sposób powłoki grafenowe mogą poprawić wydajność systemów chłodzenia satelitów poprzez wykorzystanie unikalnych właściwości termicznych tego materiału.

Prof. Ferrari tłumaczy: „Grafen jest używany w tzw. rurkach ciepła z pętlą obiegową, czyli pompach, które wprawiają ciecz w ruch bez konieczności stosowania części mechanicznych. To bardzo przydatna technologia w przypadku operacji kosmicznych, ponieważ nie ulega zużyciu i nie wymaga konserwacji. Na przykład, rurki ciepła z pętlą obiegową mogą odprowadzać ciepło z gorących systemów elektronicznych w satelitach do przestrzeni kosmicznej”.

Materiał został umieszczony na pokładzie samolotu Novespace Zero-G, gdzie warunki mikrograwitacji są wytwarzane przez powtarzające się okresy 24 sekund podczas lotu parabolicznego. Podczas każdego z 6 lotów samolot wykonał 31 parabolicznych łuków, co w sumie daje ponad godzinę spędzoną w mikrograwitacji.

„Grafen znajdujący się na pokładzie wytrzymał te warunki i sprawdził się dobrze. Eksperymenty wykazały, że grafen poprawia ciśnienie kapilarne płynu w metalowej rurce o 40 % oraz szybkość parowania o 800 %”, zauważa prof. Ferrari.

Oba eksperymenty ukazały w wyjątkowy sposób potencjał grafenu, który teraz znalazł zastosowanie w przestrzeni kosmicznej. W oparciu o te zachęcające wyniki zespół projektu Flagship kontynuuje rozwijanie i optymalizację urządzeń grafenowych do zastosowań w rzeczywistych warunkach panujących w kosmosie.