Grafene

Un progetto dell'ESA con Adamant Composites in Grecia ha testato come l'aggiunta di grafene (e altri materiali di dimensioni nanometriche) possa ottimizzare le proprietà termiche ed elettriche di un satellite.

Il vuoto senz'aria dello spazio è un luogo in cui un satellite può essere caldo e freddo allo stesso tempo, con una parte alla luce del sole e il resto all'ombra. Gli scienziati lavorano per ridurre al minimo le temperature estreme all'interno del corpo di un satellite, perché gli accumuli di calore potrebbero portare a parti fuori allineamento o addirittura a deformazioni. Un altro risultato indesiderato in condizioni di vuoto altamente isolante è che le superfici dei satelliti accumuli carica elettrica, che alla fine potrebbe provocare eventi di scarica distruttivi o dannosi. I materiali compositi stanno soppiantando sempre più le tradizionali parti metalliche a bordo dei satelliti, ma questi materiali a base polimerica possiedono una conduttività termica ed elettrica inferiore, aggravando tali problemi.

Tradizionalmente, per evitare tali effetti, i progettisti delle missioni inseriscono infrastrutture dedicate alla conduzione del calore come fascette e tubi termici, mentre strisce di messa a terra metalliche attorno alle regioni del satellite forniscono percorsi conduttivi.

Come strategia complementare, Adamant Composites, con sede in Grecia, ha supervisionato un progetto dell'ESA per aggiungere grafene e altri materiali 2D su base "nanoabilitante" ai materiali compositi preimpregnati utilizzati per realizzare i pannelli satellitari, nonché agli adesivi utilizzati per incorporare inserti nei pannelli satellitari. unire insieme parti strutturali e/o unire l'elettronica di bordo.

Il progetto è stato sostenuto attraverso il General Support Technology Program (GSTP) dell'ESA, preparando tecnologie promettenti per lo spazio e il mercato aperto, con test eseguiti dal Laboratorio di Meccanica Applicata dell'Università di Patrasso, a livello dei materiali, e Beyond Gravity in Germania, eseguendo qualificazione a livello di panel.

Athanasios Baltopoulos, direttore commerciale di Adamant Composites, spiega: "L'idea è stata quella di utilizzare la nanotecnologia per modificare questi materiali compositi strutturali per aumentare le loro prestazioni termiche ed elettriche. Avevamo dimostrato il concetto di spazio in attività precedenti."

Nicolas Blasakis, Materials & Process Engineer presso Adamant Composites, aggiunge: "Sapevamo già che avrebbe funzionato in linea di principio, quindi questo non era uno studio fondamentale. Lo scopo era più nella direzione di far maturare i prodotti e convalidare che potessero funzionare nel futuro. ambiente industriale adeguato."

Il progetto è iniziato con la caratterizzazione della stabilità dei materiali e dei processi coinvolti, per poi qualificare la componente spaziale risultante, che prevedeva dimostrazioni hardware in ambienti meccanici e termici rappresentativi.

Per i test sono stati prodotti due pannelli sandwich in polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) da 0,5 x 1 m: uno utilizzando materiali convenzionali e l'altro equivalenti nanotecnologici. Con appositi manichini di massa assemblati su di essi e adattatori di prova, entrambi i pannelli sono stati soggetti a vibrazioni e cicli termici simulando le condizioni ambientali rilevanti. Sono state eseguite ulteriori ispezioni come il "test del martello" e il tracciamento laser per confermare che soddisfacessero i requisiti stabiliti.

Per rivelare il vantaggio termico derivante dall’utilizzo di materiali nanotecnologici, è stato sviluppato un modello ingegneristico dedicato di dimensioni più piccole in cui sono state utilizzate viti personalizzate per iniettare calore negli inserti standard dei pannelli e per studiarne la propagazione sotto vuoto e a temperature ambientali variabili. La tomografia a raggi X ha fornito ulteriori informazioni sulla qualità dell'invasatura, in termini di uniformità del processo di applicazione dell'adesivo.

L’aggiunta di grafene al materiale adesivo ha aumentato la sua conduttività elettrica di diversi ordini di grandezza, triplicando al contempo la sua conduttività termica e mantenendo le sue prestazioni strutturali. Parallelamente, il CFRP ha mostrato un aumento del 25% della conduttività termica nella direzione dello spessore del composito. A livello di pannello, questi comportano una significativa soppressione dei differenziali di temperatura, riducendo della metà i gradienti termici.

Il Dr. Baltopoulos ha spiegato: "La cosa più importante raggiunta è la conferma che la tecnologia funziona bene seguendo i passi verso l'industrializzazione, che può supportare un progetto di volume reale e che siamo pronti ad andare oltre. Se dovessimo impiegare questi nano -Abilitando le tecnologie a una missione reale, allora potremmo consentire la riduzione della massa e un migliore controllo, rimuovendo le parti termiche ed elettricamente conduttive ridondanti attraverso la progettazione."