Apparaten met een MXene-coating kunnen microgolven door de ruimte geleiden en de lading verlichten

Een van de belangrijkste onderdelen van satellieten die telecommunicatie mogelijk maken, is de golfgeleider, een metalen buis die radiogolven geleidt. Het is ook een van de zwaarste ladingen die satellieten in een baan om de aarde brengen. Zoals bij alle ruimtetechnologie betekent het verminderen van het gewicht het verminderen van de hoeveelheid dure en broeikasgasproducerende brandstof die nodig is om een ​​raket te lanceren of het vergroten van het aantal apparaten dat door dezelfde raket naar de ruimte wordt vervoerd.

Onderzoekers van Drexel University en de University of British Columbia proberen de last te verlichten door een golfgeleider te maken en te testen die is gemaakt van 3D-geprinte polymeren bedekt met een geleidend nanomateriaal genaamd MXene.

In hun artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Materialen vandaagrapporteerde de groep over het potentieel van het gebruik van MXene-coatings om lichtgewicht niet-geleidende componenten elektrische geleidbaarheid te geven – een eigenschap die wordt opgeofferd bij additieve productie met behulp van polymere materialen, zoals kunststoffen.

“Bij ruimtevluchttoepassingen telt elke extra gram gewicht”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach Professor aan Drexel’s College of Engineering, die toonaangevend is in MXene-onderzoek. “MXene-materialen bieden een van de dunst mogelijke coatings – hun vlokken hebben een dikte van een paar atomen – die een geleidend oppervlak kunnen creëren, dus we zien een groot potentieel in het gebruik van MXenen om additief vervaardigde componenten te behandelen die zijn gemaakt van polymeren met complexe vormen.”

Golfgeleiders fungeren als pijpleidingen voor microgolven. Ze sturen de golven naar ontvangers terwijl de kracht van het signaal behouden blijft. In een magnetron zorgen golfgeleiders voor de verwarming van het voedsel; op een satelliet zenden ze signalen van hoge kwaliteit uit tussen verschillende objecten binnen en tussen satellieten, maar ook tussen satellieten en de aarde.

En net als het ingewikkelde netwerk van pijpen dat zich een weg door een huis baant, zijn golfgeleiders in verschillende vormen ontworpen om in kleine ruimtes te passen. Ze kunnen variëren van eenvoudige, rechte kanalen tot structuren zo complex als een labyrint.

“Golfgeleiders kunnen zo basaal zijn als een recht, rechthoekig kanaal, of ze kunnen veranderen in vormen die lijken op een ‘gek rietje’, met bochten en wendingen”, zegt Mohammad Zarifi, universitair hoofddocent die microgolfcommunicatie bestudeert aan de Universiteit van British Columbia en leidde de elektrotechnische en ontwerpinspanningen van het team. “De echte gamechanger is echter de komst van additieve productiemethoden, die complexere ontwerpen mogelijk maken die moeilijk te produceren zijn met metalen.”

Hoewel vrijwel elke holle buis als primitieve ‘golfgeleider’ kan worden gebruikt, moeten de buizen die elektromagnetische golven uitzenden (bijvoorbeeld in magnetrons en telecommunicatieapparatuur) van geleidend materiaal zijn gemaakt om de kwaliteit van de transmissie te behouden. Deze golfgeleiders zijn meestal gemaakt van metalen zoals zilver, messing en koper. Bij satellieten is aluminium de lichtere keuze.

De onderzoekers van Drexel, die ontdekte MXenes voor het eerst in 2011 en sindsdien hun onderzoek en ontwikkeling hebben geleid, suggereerden dat de 2D-nanomaterialen een goede kandidaat zouden zijn als coating voor de plastic golfgeleidercomponenten, gebaseerd op hun eerdere ontdekkingen dat MXenen elektromagnetische straling kunnen blokkeren en kanaliseren.

“Onze MXene-coating kwam naar voren als een sterke kandidaat voor deze toepassing omdat deze zeer geleidend is, functioneert als een elektromagnetisch schild en eenvoudig kan worden geproduceerd door de golfgeleider in MXenes te dompelen die in water zijn gedispergeerd”, zegt Lingyi Bi, een Ph.D. kandidaat in de groep van Gogotsi. “Andere metallic verven zijn getest, maar vanwege de chemicaliën die worden gebruikt om hun metalen ingrediënten te stabiliseren, lijdt hun geleidbaarheid in vergelijking met MXenes.”

Bovendien rapporteerden de onderzoekers dat de MXene-coating uitzonderlijk goed hechtte aan de 3D-geprinte nylon golfgeleiders vanwege de compatibiliteit tussen hun chemische structuren. Het team heeft lichtgewicht geleiders in verschillende vormen en maten gedompeld – recht, gebogen, gedraaid en resonatorvormig – om het vermogen van MXene om hun interieur grondig te bedekken te testen.

De met MXene gecoate nylon golfgeleiders wegen ongeveer acht keer minder dan de standaard aluminium golfgeleiders die momenteel worden gebruikt, en de MXene-coating voegde slechts een tiende gram toe aan het totale gewicht van de componenten.

Het belangrijkste is dat de MXene-golfgeleiders bijna net zo goed presteerden als hun aluminium tegenhangers, met een efficiëntie van 81% bij het geleiden van elektromagnetische golven tussen twee aansluitingen na slechts één cyclus van dompelcoating, een daling van slechts 2,3% ten opzichte van de prestaties van aluminium. De onderzoekers toonden aan dat ze deze transmissiemetriek konden verbeteren door de coatinglagen of de grootte van MXene-vlokken te variëren, waardoor een toptransmissie-efficiëntie van 95% werd bereikt.

Deze prestatie bleef stabiel toen de uitzending werd afgestemd op de verschillende frequentiebanden, zoals die momenteel worden gebruikt in satellietcommunicatie in een lage baan om de aarde, en een voldoende hoog ingangsvermogen voor deze uitzendingen. Ook was de kwaliteit na drie maanden niet significant aangetast, wat een indicator is voor de duurzaamheid van de coating.

“De met MXene gecoate golfgeleiders moeten nog steeds uitgebreid worden getest en worden gecertificeerd voor gebruik in de ruimte voordat ze op satellieten kunnen worden gebruikt”, zegt Roman Rakhmanov, een promovendus bij Drexel die aan het onderzoek deelnam. “Maar deze bevinding zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van de volgende generatie ruimtetechnologie.”

Het team van Gogotsi is van plan zijn onderzoek naar MXene-coatings voort te zetten in toepassingen die baat zouden kunnen hebben bij een alternatief voor metalen componenten.

“Deze veelbelovende resultaten suggereren dat met MXene gecoate componenten een haalbare lichtgewicht vervanging zouden kunnen zijn voor golfgeleiders die in de ruimte worden gebruikt”, aldus Gogotsi. “Wij zijn van mening dat de coatings ook kunnen worden geoptimaliseerd voor transmissies van verschillende frequenties en kunnen worden toegepast op een verscheidenheid aan additief vervaardigde of spuitgegoten polymeercomponenten, waardoor ze ook in een aantal landtoepassingen een lichtgewicht en goedkoop alternatief bieden voor metalen. “