Een team van UCF -onderzoekers pioniert een nieuwe nanocoating om de effecten van maanstof passief te verminderen, apparatuur te beschermen en uiteindelijk toekomstige maanmissies uit te breiden. Credit: University of Central Florida, Antoine Hart.
Lunar stof is meer dan een mild irriterend of kenmerk van een slordige kamer zoals stof op aarde.
Lunaire stofdeeltjes zijn scherp en schurend vanwege het gebrek aan atmosfeer die geleidelijk hun oppervlakken afbinden, waardoor ze mogelijk kritische maanapparatuur beschadigen of ademhalingsproblemen voor astronauten veroorzaken.
Het beheren van maanstof (ook bekend als Regolith) en het waarborgen van astronauten of gevoelige apparatuur op de maan is niet zo eenvoudig als het vegen met een bezem en pan.
Dat is de reden waarom een team van UCF -onderzoekers pionieren met een nieuwe nanocoating om de effecten van maanstof passief te verminderen, apparatuur te beschermen en uiteindelijk toekomstige maanmissies uit te breiden.
“De stofdeeltjes op de maan zijn erg scherp, zeer plakkerig en zeer giftig”, zegt Lei Zhai, directeur van het Nanoscience Technology Center en Project Lead.
“Op dit moment zijn de inspanningen die we hebben gezien gebaseerd op studies hier op aarde, en dus willen we een vollediger beeld van de interacties hebben en het ontwerp leiden over hoe u stof kunt beperken met behulp van een gesimuleerde maanomgeving.”
Het onderzoeksteam van UCF wil testen zo trouw mogelijk doen aan de maanomgeving door te modelleren en het gebruik van een gesimuleerde regoliet in een vacuümkamer om maanomstandigheden na te bootsen en de effecten van de atmosfeer van de aarde uit te sluiten.
Het doel is om te begrijpen hoe maanstoff interageert met oppervlakken en welke oppervlakte -eigenschappen, zoals oppervlaktestructuren, polariteit en elektrische geleidbaarheid, de sleutel zijn om het stof af te weren, zelfs in complexe maangeladen deeltjes- en lichtstralingomgevingen.
“Het is een echt nieuwe, nieuwe manier om dit te benaderen. Lunar Dust is een van de belangrijkste problemen die we hebben om naar de maan te gaan, vooral voor lange duur,” zegt Dove.
“We zullen onze gemanipuleerde coatings of oppervlakken in de vacuümkamer stoppen met maansimulanten en bestuderen hoe het stof interageert met de oppervlakken in de gesimuleerde maanoppervlakomgeving,” zegt Zhai.
“Er is ook sterke bestraling op de maan, dus we zullen ook bestralingsbronnen in de opstelling introduceren. We zullen ook een specifiek instrument gebruiken dat een atomaire krachtmicroscoop wordt genoemd om deze specifieke interacties op het niveau van het stof te bestuderen.”
Met herhaalde experimenten kunnen Zhai en zijn team de oppervlaktestructuur, hardheid, geleidbaarheid en andere eigenschappen aanpassen om de oppervlaktecoatings verder af te stemmen.
“Met die gegevens kunnen we specifieke oppervlaktestructuren ontwerpen voor effectieve stofbeperking”, zegt hij. ‘Mijn rol is om het oppervlak te bieden. Dan zal ik dit oppervlak aan Dr. [Laurene] Tetard, die de atomaire krachtmicroscoopstudies zal uitvoeren, en ook Dr. [Adrienne] Dove, die een vacuümkamer en bestraling heeft. “
Dove, een professor in natuurkunde en de afdelingsvoorzitter, zegt dat ze enthousiast is om aan dit project te werken.
“Het is een echt nieuwe, nieuwe manier om dit te benaderen”, zegt ze. “Lunar Dust is een van de belangrijkste problemen die we hebben om naar de maan te gaan, vooral voor lange duur. Het is dus echt opwindend om hieraan te werken en dit te doen als een toegepaste manier om naar maanstoffproblemen te kijken.”
Dove bestudeert al vele jaren maansontsteking en dit project breidt haar bestaande kennis en resultaten uit tot hoe ze direct de exploratie kunnen beïnvloeden. Voor dit project bestudeert ze hoe de stofdeeltjes interageren met de nieuwe coatings tijdens de experimenten in de vacuümkamer om de prototype -coatings die Zhai zal ontwikkelen beter te informeren.
“Veel van het werk dat ik doe, is om verschillende manieren te implementeren om de stokkrachten van stofkorrels en andere materialen te meten,” zegt Dove. “Dus een manier om dat te doen is om veel stof op een oppervlak te leggen en vervolgens het oppervlak echt snel te draaien met een centrifuge en te zien op welke snelheid de korrels eraf komen – we gebruiken dat om de kracht te meten.”
Het onderzoeksteam hoopt dat hun nieuwe inzichten in maanstof efficiëntere manieren kunnen informeren om de schadelijke interacties van het stof met oppervlakken te verminderen door inspanningen te minimaliseren om het stof fysiek te verwijderen en in plaats daarvan passieve methoden te gebruiken, zoals vertrouwen op zonnewind of straling.
“Wanneer astronauten rond de oppervlakte springen of rovers rondrijden, gaan ze stof oprusten, en dat stof komt natuurlijk overal”, zegt ze.
“We denken er aan, zoals wanneer we zand op het strand krijgen, je kunt het meestal gewoon afvegen. Soms word je een beetje bekrast. Datzelfde kan gebeuren met maanstof, maar het is veel erger dan strandzand – veel moeilijker om schoon te worden en het is krassender.”
De onderzoekers kiezen ervoor om passieve methoden te verkennen om het stof te verminderen om potentieel krassende technologieën zoals sensoren of camera’s te voorkomen door stof weg te vegen. Passieve stofbeperking kan vertrouwen op zonnewind, straling of andere passieve krachten die verschillen van een actieve benadering, zoals het aanbrengen van een elektrisch veld om het stof te verwijderen.
“Dit project is echt gericht op passieve manieren om het oppervlak te veranderen, zodat stof in de eerste plaats gewoon niet zo goed blijft”, zegt Dove. “Dus, als we dingen doen zoals het afschudden of er wat lucht op blazen, komt het stof gemakkelijker uit.”
Het idee voor het project vorderde naarmate het team in de loop der jaren continu stof en oppervlakte -interacties besprak.
Laurene Tetard, een professor in de natuurkunde, is gespecialiseerd in atomaire krachtmicroscopie. Atomische krachtmicroscopen (AFM) zijn krachtig genoeg om uitdagingen op het nanoschaal te onderzoeken, en ze zijn van cruciaal belang om de stofexperimenten in de vacuümkamer verder te begrijpen en hoe succesvol de door ZHAI zijn ontworpen oppervlakken die zijn ontworpen.
“We hopen een nieuw platform te ontwikkelen dat op een nieuwe manier nanowetenschaps- en ruimteonderzoek verbindt”, zegt Tetard.
“We hopen een nieuw platform te ontwikkelen dat op een nieuwe manier nanowetenschaps- en ruimteonderzoek verbindt”, zegt Tetard. “We zullen een platform ontwerpen dat deze metingen kan uitvoeren onder omstandigheden die ruimtevaartomstandigheden nabootsen. De informatie verkregen uit deze metingen zal belangrijke feedback geven om het ontworpen oppervlak te optimaliseren.”
Ze zegt dat het uitbreiden van de grenzen van AFM naar ruimteonderzoek bijzonder uniek is, en dat de toekomstige mogelijkheden om op dit onderzoek voort te bouwen even bevredigend zijn.
“Het zal geweldig zijn om studenten in deze nieuwe richting op te leiden voor toekomstige toepassingen van interesse van NASA en andere ruimtegerelateerde industrieën”, zegt Tetard. “En het is vooral opwindend om dat te doen met experts op deze gebieden die veel weten over de complementaire aspecten van dit werk.”
Tarek Elgohary, universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek, werkt samen met andere teamleden om simulaties te creëren die hen zullen helpen begrijpen hoe de deeltjes met elkaar en met verschillende oppervlakken omgaan.
“We hebben deeltje-tot-deeltjes en deeltje-tot-oppervlakte interacties”, zegt hij. “We willen die op de computers simuleren en vervolgens overeenkomen met wat we weten uit de experimenten, zoals de fysieke eigenschappen, met wat we krijgen van de simulatie. Dus we proberen in wezen de lus tussen simulaties en experimenten te sluiten om de fysieke fenomenen beter te begrijpen.”
Inzicht in hoe elektrische ladingen kunnen bewegen tussen stofdeeltjes en hoe het stof ladingen of ontladingen door gesimuleerde omgevingen onderhoudt, is een belangrijk aspect van de onderzoekscomponent die Elgohary bestudeert.
“Dat zal ons in wezen helpen met het ontwerpproces van de passieve mitigatietechnieken die Lei, Addie en Laurene onderzoeken”, zegt hij.
Het interdisciplinaire karakter van het project en de langdurige wens om de ongrijpbare uitdaging van maanstof aan te pakken zijn enkele van wat Elgohary zegt dat het de meest lonende aspecten van het onderzoeksproces zijn.
“Ik begon vele jaren geleden met Addie te praten en we hebben verschillende inspanningen gehad om te proberen te begrijpen hoe het stof beweegt en op elkaar inwerken”, zegt hij.
“Het is een fascinerend probleem, en het vereist het begrijpen van de fysica en het verbinden van dat met een technische toepassing om ons in staat te stellen een grotere aanwezigheid op het maanoppervlak te hebben. Het feit dat er vier van ons zijn die elk stuk van dit probleem bestrijken, is een van de meest opwindende dingen van dit project.”
Verstrekt door de Universiteit van Central Florida