Voor- en achterkant van elk van de drie vierkante platen van één inch. Door kleine ronde vensters kunnen de monsters worden blootgesteld aan de harde atmosfeer in de ruimte. Krediet: afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Universiteit van Illinois
Sommige materialen die worden gebruikt in ruimtevaarttoepassingen, zoals polymeren, kunnen degraderen en eroderen bij langdurige blootstelling aan atomaire zuurstof, ultraviolette straling en extreme temperatuurwisselingen in de ruimte. Bovendien vormen micrometeoroïden en ander ruimteafval een serieuze bedreiging voor de integriteit van lichtgewicht ruimtestructuren bestaande uit polymeren en hun composieten, omdat ruimtevaartuigen zoals het internationale ruimtestation ISS met ongeveer 18.000 mijl per uur reizen.
De introductie van zelfherstellende materialen die speciaal ontworpen nanodeeltjes en microdeeltjes bevatten, zou een duurzamere oplossing kunnen bieden voor ruimtestructuren. Verschillende laboratoria van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois werkten samen om deze uitdaging aan te gaan en stuurden voor het eerst zelfherstellende materialen in een baan om de aarde om te testen in het ISS National Laboratory.
“De materialen die we gebruiken zijn nieuwe nanocomposieten, gebaseerd op thermohardende polydicyclopentadieen (pDCPD)-matrix gemengd met zelfherstellende componenten, die in enkele minuten tot uren kunnen worden uitgehard in vergelijking met traditionele thermohardende polymeren die dagen nodig hebben om uit te harden in een autoclaaf. Deze nieuwe op pDCPD gebaseerde materialen zijn ook geschikt voor additieve fabricagetechnieken met het potentieel voor snelle fabricage of reparatie van onderdelen, precies waar ze zich in de ruimte bevinden”, zegt Debashish Das, een postdoctoraal wetenschapper bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van UIUC.
Professoren Nancy Sottos en Ioannis Chasiotis worden gefinancierd door het Air Force Office for Scientific Research en het ISS National Lab om monsters te ontwikkelen die in drie verschillende richtingen op het ISS worden gemonteerd, omdat elke kant van het ISS wordt blootgesteld aan omstandigheden met verschillende hoeveelheden van ultraviolette straling en atomaire zuurstof: ram, in de rijrichting; wakker worden in de slepende richting; en zenit, afgekeerd van de aarde.
Vanwege de hoge kosten van het uitvoeren van experimenten in de ruimte, moest elk monster ongeveer zo groot zijn als de gum bovenop een potlood. In totaal werden 27 monsters op drie platen bevestigd, elk met een afmeting van 2,5 cm. Een venster over elk monster maakt blootstelling aan de ruimteomgeving mogelijk.
Lucht- en ruimtevaartstudent Eric Alpine en LR-faculteit Michael Lembeck gebruikten hun faciliteiten in het Talbot Laboratory om de vluchtige inhoud te bepalen in de monsters die aan de ruimte worden blootgesteld. De monsters werden 24 uur onder hoog vacuüm bij 176 graden Fahrenheit gebakken om versnelde ruimteomstandigheden te simuleren. Het massaverlies van alle monsters bleef binnen de door NASA toegestane limiet.
Materiaalwetenschappen en techniek Ph.D. student Kelly Chang en postdoctoraal onderzoeker Mayank Garg, in de Autonomous Materials Systems Group van het Beckman Institute, ontwikkelden de zelfgenezende strategieën en fabriceerden alle monsters.
“Op basis van een eerder experiment in het ISS door de groep van professor Chasiotis, weten we dat het inbedden van glazen nanodeeltjes in alle monsters de erosieweerstand zal verbeteren,” zei Chang. “In de groep van professor Nancy Sottos hebben we geëxperimenteerd met een actiever mechanisme om erosieschade tegen te gaan. We hebben microcapsules ingebed, die actieve materialen bevatten die worden geactiveerd wanneer de atomaire zuurstof in de ruimte de capsules scheurt en de vloeibare kern van deze capsules toelaat om Reageer.”
Chang zei dat er ook monsters zijn die de capsules niet bevatten en deze monsters zullen dienen als controles voor latere experimenten. De monsters bevatten ook standaard epoxy van ruimtevaartkwaliteit ter vergelijking.
Das zei dat als deze zelfherstellende polymeren succesvol blijken te zijn in de ruimte, dit een enorm pluspunt kan zijn voor productie in de ruimte. “Dat is een langetermijndoel,” zei hij, “om in de ruimte te worden vervaardigd.”
Garg voegde toe: “Als onze hypothese dat deze nieuwe materialen gedurende een langere periode bestand zijn tegen erosie in vergelijking met op epoxy gebaseerde materialen stand houdt, dan zullen we een alternatief hebben voor de door epoxy gedomineerde markten voor ruimte, evenals voor op aarde gebaseerde toepassingen.”
Geleverd door de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign
