Farveændring i rummaterialer kan hjælpe med at måle nedbrydning på afstand

I de næste seks måneder vil et kamerasystem på ydersiden af ​​Den Internationale Rumstation (ISS) tage billeder af mere end et dusin forskellige materialeprøver og indsamle detaljerede oplysninger, der vil hjælpe forskere med at bestemme, hvordan – og hvorfor – de barske forhold i rum påvirker disse materialer. Blandt de emner, der skal undersøges, er farveændringer, der kan indikere nedbrydningen forårsaget af eksponering for miljøet i rummet.

Et centralt mål for forskningen vil være at korrelere de farveændringer, der forekommer under lav-earth orbital (LEO) eksponering med variationer i materialernes egenskaber - såsom strukturel styrke, kemisk sammensætning og elektrisk ledningsevne - for at bestemme, hvordan disse spektrale ændringer kan give videnskabsmænd og ingeniører mulighed for visuelt at vurdere forringelse. LEO-rummiljøet udsætter materialer for de skadelige virkninger af atomær oxygen, ultraviolet stråling og højenergielektroner.

"Vi ønsker ikke kun at vide, hvordan rummet påvirker materialer, men også hvorfor det sker," sagde Elena Plis, en senior forskningsingeniør ved Georgia Tech Research Institute (GTRI), som leder forskningsteamet med flere organisationer. "For eksempel ved vi, at et almindeligt brugt materiale fra DuPont, Kapton polyimidfilm, er genstand for ændringer i dets ledningsevne i rummet, men vi vil gerne vide hvorfor, hvordan vi kan forhindre det, eller hvordan vi kan bruge det til vores fordel. ."

Regelmæssig fotografering af materialerne i både synlige og infrarøde spektralområder vil give en dynamisk registrering af, hvad der sker med optiske egenskaber i rummet, hvilket forbedrer den viden, der ofte har været begrænset til målinger før og efter rumeksponering. Forskerholdet vil grundigt analysere de materialer, der returneres til Jorden for bedre at forstå, hvordan rumforringelse kan påvirke andre materialeegenskaber og bruge disse oplysninger til langsigtet planlægning af rummissioner.

"Jeg er interesseret i dynamikken i skader forårsaget af materialer i rummet," forklarede Plis. "Indtil nu har vi generelt kun haft to datapunkter til at vurdere virkningerne af rummet:de uberørte materialer, som vi opsender, og de kumulative effekter, vi kan se, når materialer returneres. Det unikke ved dette eksperiment er at lade os se skader opstår over tid."

Ud over GTRI omfatter forskerholdet forskere fra Air Force Research Laboratory (AFRL), NASA, University of Texas i El Paso og DuPont, en multi-industriel virksomhed med hovedkontor i Wilmington, Del. Udnytter Materials International Space Station Experiment ( MISSE) Flight Facility, forskningen er også støttet af Aegis Aerospace Inc., virksomheden, der ejer og driver MISSE-platformen installeret på ISS.

At analysere de spektrale data, der er opnået ved eksperimentet, kan også give observatører mulighed for at afgøre, om et stykke rumskrot er fra et letvægts isolerende tæppe eller et tungere kredsløbskort, der kan beskadige kredsende rumfartøjer. Udover at give en ny måde at vurdere materialers strukturelle sundhed på og vurdere risici fra rumaffald, vil eksperimentet også hjælpe ingeniører med at evaluere nye materialer, der kan give designere af fremtidige rumfartøjer nye muligheder.

"DuPont Kapton HN polyimidfilm er for eksempel et materiale, der er blevet brugt lige siden Apollo-missionerne, hvilket gør det til guldstandarden," sagde Plis. "Men der er mange flere materialer, der kan tilbyde forbedrede egenskaber, så vi vil se, hvordan nogle eksempler på dem påvirkes af rummet."

Mange af de materialer, der studeres, bruges til at beskytte rumfartøjssystemer og besætninger mod virkningerne af hurtige termiske ændringer, der finder sted i kredsløb, og mod skadelige elektriske opladningseffekter. MISSE-16-materialeudvalget omfatter forskellige typer polyimider, flydende krystalpolymerer (LCP), polyhedral oligomer silsesquioxan (POSS), kulstof- og glasfiberforstærkede polymerer og polyethylenterephthalat (PET) polyesterfilm.

Prøverne blev installeret på ydersiden af ​​ISS ved hjælp af en robotarm og vil blive hentet på samme måde om cirka seks måneder. Prøverne vil blive placeret på tre forskellige flader af ISS for at modtage præferenceeksponering for atomær oxygen, ultraviolet stråling og højenergielektroner. Prøverne blev leveret til ISS af et SpaceX Dragon fragtrumfartøj, der blev opsendt den 16. juli.

For at lette den langsigtede observation på kredsløb er MISSE-testbedet blevet opgraderet med et kamera og belysningssystem til at dække et bredere spektralområde, herunder infrarødt, hvilket er vigtigt for at observere visse aspekter af nedbrydning. Den opgraderede hardware vil forblive en del af MISSE-instrumenteringen, efter at det GTRI-ledede eksperiment er slut.

Prøverne, som er en tomme kvadrater, forventes at blive returneret til Jorden næste forår. Materialerne, der flyves i rummet, vil blive undersøgt i detaljer for at forstå nedbrydningen og sammenlignet med identiske prøver udsat for simulerede rumforhold i laboratoriet. I alt vil prøverne blive udsat for 10 forskellige karakteriseringsteknikker, herunder atomkraftmikroskopi, optisk karakterisering af refleksion og absorption og målinger af elektrisk ladningsoverførsel.

"Vi vil forsøge at forbinde de optiske egenskaber med overfladeændringer og kemiske ændringer," sagde Plis. "Med vores jordforsøg håber vi at forstå disse ændringer og den fysik, der ligger bag dem."

For Plis, der har studeret virkningerne af rumeksponering på materialer siden 2015, var det at se forskningsopsendelsen i rummet resultatet af en årelang anvendelses- og udviklingsproces.

"For mig var det meget følelsesladet at lancere materialerne," sagde hun. "Det er som en drøm, der går i opfyldelse at sende min forskning ud i rummet og få data fra rummet. Dette er mit første projekt, der går ud i rummet, og jeg håber, der vil være mere." + Udforsk yderligere

Udsat! Den internationale rumstation tester organismer, materialer i rummet