Slimme stof verzamelt ruimtestof op het internationale ruimtestation

Een door het leger gefinancierde slimme vezel die op het internationale ruimtestation wordt getest, zou kunnen worden gebruikt om ruimtestoftelescopen te ontwikkelen en astronauten door hun onder druk staande pakken te laten voelen.

Onderzoekers van het Army’s Institute for Soldier Nanotechnologies aan het Massachusetts Institute of Technology ontwikkelden een akoestisch weefsel dat zo gevoelig is voor trillingen dat het effecten van microscopisch kleine deeltjes met hoge snelheid in de ruimte kan detecteren. Een meer aardse toepassing van deze stoffen zou kunnen zijn voor explosiedetectie en in de toekomst kunnen ze dienen als gevoelige microfoons voor gerichte detectie van geweerschoten.

Het weefselsysteem bevat thermisch getrokken trillingsgevoelige vezels die in staat zijn mechanische trillingsenergie om te zetten in elektrische energie. Wanneer micrometeoroïden of ruimtepuin de stof raken, trilt de stof en genereert de akoestische vezel een elektrisch signaal.

“Dit is een voortreffelijk voorbeeld van het benutten van nanowetenschap voor technologische ontwikkeling die de fysieke en digitale domeinen overbrugt”, zegt James Burgess, ISN-programmamanager voor het Army Research Office, een onderdeel van het US Army Combat Capabilities Development Command, nu bekend als DEVCOM. Army Research Laboratory. “Het leveren van revolutionaire methodologieën die het resultaat zijn van fundamentele wetenschap is altijd een van onze belangrijkste prioriteiten, en de mogelijkheid om gegevens uit ruimtestof te verzamelen met behulp van een vezelsensor als een belangrijke bouwsteen van het systeem, is echt opwindend.”

Het Amerikaanse leger heeft het ISN in 2002 opgericht als een interdisciplinair onderzoekscentrum dat zich toelegt op het drastisch verbeteren van de bescherming, overlevingskansen en missiemogelijkheden van de Soldier en Soldier-ondersteunende platforms en systemen.

De akoestische vezel is ontwikkeld via ISN-projecten die gericht zijn op het bouwen van de volgende generatie vezels en weefsels voor soldatenuniformen en gevechtsuitrusting die een verscheidenheid aan fysiologische parameters zoals hartslag en ademhaling kunnen detecteren, evenals externe geluiden zoals geweerschoten en explosies.

“Traditionele telescopen gebruiken licht om te leren over verre objecten; deze stof maakt gebruik van ruimtestofanalyse om meer te weten te komen over de ruimte”, zegt Dr. Yoel Fink, hoogleraar Materiaalkunde en elektrotechniek aan het MIT. “Dit is een geweldig voorbeeld van hoe ISN-projecten ons in staat stellen om zeer goed in te spelen op kansen en uitdagingen aan te gaan die veel verder gaan dan we aanvankelijk hadden gedacht.”

MIT-afgestudeerde Juliana Cherston, de leider van het project, paste een ander stuk ISN-technologie toe: de Laser-induced Particle Impact Test-array, die lasers gebruikt om kleine deeltjes te versnellen tot supersonische of zelfs hypersonische snelheden, en stelt onderzoekers in staat hun impact op doelmaterialen – om aan te tonen dat het weefselsysteem nauwkeurig de impuls kon meten van kleine deeltjes die zich voortbewegen met honderden meters per seconde.

Wetenschappers gebruiken nu ISN-faciliteiten om de gevoeligheid van het akoestische weefsel te testen voor inslagen van microdeeltjes met dezelfde kinematica als bepaalde soorten stof met hoge snelheid in de ruimte. Tegelijkertijd baseren onderzoekers zich op de veerkracht van de vezelsensor voor de harde omgeving van een lage baan om de aarde op het internationale ruimtestation ISS.

Voor deze eerste lancering werkte het onderzoeksteam samen met het Japan Aerospace Exploration Agency en het Japanse bedrijf Space BD om een ​​monster van 10 cm bij 10 cm van de high-tech stof naar het internationale ruimtestation ISS te sturen, waar het op een buitenmuur werd geïnstalleerd. blootgesteld aan de ontberingen van de ruimte. Het weefselmonster, dat voorlopig geen kracht heeft, zal een jaar in het baanlaboratorium blijven om te bepalen hoe goed deze materialen de harde omgeving van een lage baan om de aarde overleven.

Het team is ook gepland voor een elektrisch aangedreven inzet van de stof door middel van sponsoring van het International Space Station US National Laboratory eind 2021 of begin 2022. Het International Space Station US National Laboratory werkt in samenwerking met NASA om het baanplatform volledig te gebruiken om waarde toevoegen aan onze natie door middel van ruimteonderzoek en een economie met een lage baan om de aarde mogelijk maken.

“Thermisch getrokken multimateriaalvezels worden al meer dan 20 jaar ontwikkeld door onze onderzoeksgroep bij MIT”, zegt Dr. Wei Yan, postdoc in het MIT Research Laboratory of Electronics en het Department of Materials Science and Engineering. “Het bijzondere van deze akoestische vezels is hun voortreffelijke gevoeligheid voor mechanische trillingen. De stof is in grondfaciliteiten getoond om impact te detecteren en te meten, ongeacht waar het ruimtestof het oppervlak van de stof heeft geraakt.”

Het witte oppervlak van het internationale ruimtestation ISS is eigenlijk een beschermend weefselmateriaal genaamd Beta-doek, een met Teflon geïmpregneerde glasvezel, ontworpen om ruimtevaartuigen en ruimtepakken te beschermen tegen de ernst van de elementen op meer dan 400 kilometer boven het aardoppervlak.

Het onderzoeksteam gelooft dat het akoestische weefsel kan leiden tot weefsels met een groot oppervlak die nauwkeurig de impuls op ruimtevaartuigen meten van micrometeoroïden en ruimtepuin dat met kilometers per seconde reist. De slimme stoffen kunnen astronauten ook een gevoel van aanraking geven door middel van hun onder druk staande pakken door sensorische gegevens van de buitenkant van het pak te verstrekken en die gegevens vervolgens in kaart te brengen met haptische actuatoren op de huid van de drager.

Over een jaar zullen deze monsters terugkeren naar de aarde voor analyse na de vlucht. De onderzoekers meten eventuele erosie door atomaire zuurstof, verkleuring door ultraviolette straling en veranderingen in de prestaties van de vezelsensor na een jaar thermische cycli.

“Het is gemakkelijk aan te nemen dat, aangezien we deze materialen al naar de ruimte sturen, de technologie zeer volwassen moet zijn”, zei Cherston. “In werkelijkheid maken we gebruik van de ruimteomgeving als aanvulling op onze belangrijke grondtesten. Onze focus ligt op het baseren van hun veerkracht ten opzichte van de ruimteomgeving.”