Nowy nanomateriał pomoże w badaniach kosmosu

0

Nanorurki węglowe są jedną z najbardziej niezwykłych substancji znanych nauce i dzięki swoim wyjątkowym właściwościom mogą znaleźć zastosowanie w elektronice oraz w budowie niezwykle wytrzymałych materiałów. Dzięki badaniom naukowców z Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda pracujących nad tą postacią węgla, istnieje szansa opracowania nowego materiału, który byłby zdolny do znacznie lepszego pochłaniania światła, niż czynią to obecnie stosowane farby.

Odpowiednie wyczernienie instrumentów badawczych ma kluczowe znaczenie dla ich czułości – każdy zabłąkany foton, który odbija się wewnątrz urządzeń detekcyjnych powoduje powstanie pewnego szumu, który wpływa na jakość uzyskanych danych. Obecnie, aby ograniczyć wpływ światła odbitego, stosuje się czarną, matową farbę, która ma za zadanie pochłaniać niepożądane fotony i w ten sposób zabezpieczać detektory pojazdów kosmicznych.

Jednak nowy materiał, wykorzystujący nanorurki węglowe o wielkości około 10 tysięcy razy mniejszej od średnicy ludzkiego włosa, które zostały ułożone pionowo, jest w stanie pochłaniać światło nawet dziesięciokrotnie lepiej od powłoki pokrytej farbą – ponieważ ludzkie oko rejestruje obraz na podstawie światła odbitego od obiektów, materiał ten wydaje się być absolutnie czarny. Co więcej, opracowywana technologia ma niejako z definicji znaleźć zastosowanie w skrajnie nieprzyjaznym środowisku kosmicznym – musi więc być bardzo odporna.

Przełomem w produkcji nowej powłoki było odkrycie materiału, na którym możliwy stał się wzrost nanorurek. Aby to osiągnąć naukowcy zastosowali warstwę katalizatora (żelaza) na podkład z roztworu krzemowego i następnie wypiekali tę strukturę w piecu wypełnionym gazem bogatym w węgiel w temperaturze 750 stopni Celsjusza. Technika ta była elementem wyjściowym dla naukowców NASA, którzy eksperymentując z tym procesem byli w stanie wytwarzać nanorurki węglowe na materiale tytanowym, który znacznie lepiej nadaje się do zastosowania w przestrzeni kosmicznej. Także dzięki zmianie grubości warstwy katalizatora oraz modyfikacji roztworu podkładowego udało się stworzyć materiał o znacznie lepszych właściwościach mechanicznych – powłokę niemal idealną do zastosowania w instrumentach sond kosmicznych.

Obecnie zespół naukowców pod kierownictwem Johna Hagopiana udoskonala swoją technikę wytwarzania nowego materiału, aby możliwe stało się jego zastosowanie w praktyce. Oczywiście jednak zanim będzie on mógł zostać wykorzystany w instrumentach nowej generacji, konieczne będzie jego sprawdzenie w warunkach kosmicznych (na przykład na Stacji Kosmicznej) lub zbliżonych do kosmicznych (na Ziemi w specjalnych laboratoriach).

Zaprojektowany materiał ma również dodatkowe zalety – ponieważ proces technologiczny zakłada “wzrost” nanorurek węglowych bezpośrednio na materiale, możliwe byłoby pokrywanie całych gotowych elementów urządzeń badawczych poprzez bezpośrednie “hodowanie” nanorurek na ich powierzchni, co pozwoliłoby z kolei na uproszczenie konstrukcji instrumentów. Obecnie zespół instaluje nowy piec, który pozwoli na pokrywanie komponentów o średnicy do pięciu cali, a także pracuje nad nową techniką, która pozwoliłaby na produkcję arkuszy nanorurek, którymi można by pokrywać duże, niejednorodne powierzchnie.

Jednocześnie zmniejszenie ilości przypadkowego światła umożliwiłoby dokonywanie pomiarów, które obecnie są niezwykle trudne lub wręcz niemożliwe do wykonania z powodu limitów istniejącej technologii wyczernienia. Innym ważnym ich zastosowaniem mogą być obserwacje obszarów, w których występują duże kontrasty – na przykład w przypadku wizualnych detekcji planet w pobliżu ich gwiazd.

Nowy materiał nie jest jednak ostatnim słowem w technologii pochłaniania światła. W 2008 roku zespół naukowców z Instytutu Politechniki Rensselaer opracował strukturę nanorurek węglowych, która jest zdolna do nawet trzykrotnie lepszego pochłaniania światła niż poprzedni rekordzista i jest najciemniejszym materiałem znanym człowiekowi. Mimo to opracowana przez naukowców z NASA powłoka jest znacznie lepsza od obecnie wykorzystywanych materiałów wyczerniających.

Pierwszymi, którzy będą badać nową technologię w praktyce, są uczeni pracujących przy instrumencie ORCA (Ocean Radiometer for Carbon Assessment), którego zadaniem jest mierzenie stopnia fotosyntezy w środowisku morskim. Urządzenie to stanowi punkt wyjścia dla zaproponowanej misji ACE i wymaga bardzo skutecznej metody pochłaniania niechcianego światła, ponieważ aż w 90% jego źródłem jest atmosfera. Stanowi to jeden z podstawowych problemów wszystkich instrumentów przeznaczonych do obserwacji morskich.

Pierwsze testy nowego pokrycia wydają się być obiecujące.

(NASA)

John Hagopian porównuje stare pokrycie wykorzystujące farbę (po lewej) oraz nowy materiał z nanorurek węglowych (po prawej) (Chris Gunn/NASA)

Comments are closed.