Графен

Проект ЕКА с компанией Adamant Composites в Греции проверил, как добавление графена (и других наноматериалов) может оптимизировать тепловые и электрические свойства спутника.

Безвоздушный космический вакуум — это место, где спутник может быть одновременно горячим и холодным, причем часть его находится под солнечным светом, а остальная часть — в тени. Ученые работают над тем, чтобы свести к минимуму экстремальные температуры внутри тела спутника, поскольку накопление тепла может привести к нарушению выравнивания деталей или даже к короблению. Еще одним нежелательным результатом в условиях вакуума с высокой изоляцией является накопление на поверхности спутников электрического заряда, что в конечном итоге может привести к разрушительным или разрушительным разрядам. Композитные материалы все чаще вытесняют традиционные металлические детали на борту спутников, но эти материалы на основе полимеров обладают более низкой тепло- и электропроводностью, что усугубляет подобные проблемы.

Традиционно, чтобы избежать таких эффектов, проектировщики миссий вставляют специальную теплопроводящую инфраструктуру, такую ​​как тепловые ленты и трубы, а металлические полосы заземления вокруг частей спутника обеспечивают токопроводящие пути.

В качестве дополнительной стратегии греческая компания Adamant Composites курировала проект ESA по добавлению графена и других 2D-материалов на «нано-способной» основе в композитные материалы препрега, используемые для изготовления спутниковых панелей, а также в клеи, используемые для встраивания вставок в соединить структурные части вместе и/или соединить бортовую электронику.

Проект был поддержан в рамках Программы общей поддержки технологий ЕКА (GSTP), готовящей перспективные технологии для космоса и открытого рынка, с испытаниями, проведенными Лабораторией прикладной механики Университета Патры на уровне материалов, и Beyond Gravity в Германии, выполняющей квалификация уровня панели.

Афанасиос Балтопулос, коммерческий директор компании Adamant Composites, объясняет: «Идея заключалась в том, чтобы использовать нанотехнологии для модификации этих конструкционных композитных материалов с целью повышения их тепловых и электрических характеристик. Мы уже доказали эту концепцию для космоса в предыдущих проектах».

Николас Бласакис, инженер по материалам и процессам в компании Adamant Composites, добавляет: «Мы уже знали, что это будет работать в принципе, поэтому это не было фундаментальное исследование. соответствующую производственную среду».

Проект начался с определения стабильности используемых материалов и процессов, а затем оценки полученного космического компонента, что включало демонстрацию оборудования в репрезентативных механических и термических средах.

Для испытаний были изготовлены две сэндвич-панели из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) размером 0,5 х 1 м: одна с использованием обычных материалов, а другая – эквивалентов нанотехнологий. С установленными на них соответствующими манекенами и испытательными адаптерами обе панели подвергались вибрации и термоциклированию, имитируя соответствующие условия окружающей среды. Дополнительные проверки, такие как «ударные испытания» и лазерное отслеживание, были проведены для подтверждения соответствия установленным требованиям.

Чтобы выявить термические преимущества использования наноматериалов, была разработана специальная инженерная модель меньшего размера, в которой использовались специальные винты для подачи тепла в стандартные вставки панелей и изучения его распространения в вакууме и при различных температурах окружающей среды. Рентгеновская томография дала дополнительную информацию о качестве заливки с точки зрения однородности процесса нанесения клея.

Добавление графена в клейкий материал увеличило его электропроводность на несколько порядков, одновременно увеличив теплопроводность в три раза и сохранив структурные характеристики. Параллельно углепластик продемонстрировал увеличение теплопроводности композита на 25% по толщине. На уровне панели это обеспечивает значительное подавление разницы температур, уменьшая температурные градиенты вдвое.

Доктор Балтопулос объяснил: «Самое важное, что было достигнуто, — это подтверждение того, что технология хорошо работает в соответствии с этапами индустриализации, что она может поддержать реальный масштабный проект и что мы готовы идти дальше. Если бы мы использовали эти нанотехнологии, - использование технологий в реальной миссии, тогда мы сможем обеспечить снижение массы и лучший контроль, удалив избыточные тепловые и электропроводящие детали посредством конструкции».