Nye termiske belægninger til rumfartøjer og satellitter udviklet ved hjælp af metamaterialer

Et team af forskere, som omfatter University of Southampton, har udviklet ny teknologi, der kan foranledige en betydelig ændring for et rumfartøj eller en satellit.

Metamateriale optiske solreflektorer (meta-OSR'er) er de første overfladebelægninger på ydersiden af ​​et rumfartøj, designet til effektivt at udstråle infrarød varme væk fra den, mens den afspejler det meste af det optiske solspektrum.

For en satellit eller et rumfartøj, OSR'erne spiller en afgørende rolle i systemets termiske kontrol. Limet til radiatorpanelernes ydre hud, OSR'er er designet til at afvise solstråling og sprede den varme, der genereres om bord.

OSR'er er almindeligvis fremstillet af kvartsfliser, der kombinerer termo-optiske egenskaber med en evne til at modstå miljøet i rummet.

Imidlertid, kvartsfliser er tunge og skrøbelige, tilføjer betydeligt til montage- og lanceringsomkostninger, og kan ikke anvendes på buede overflader. Andre kommercielle løsninger baseret på polymerfolier lider af hurtig ydelsesforringelse og er derfor uegnede til missioner, der varer mere end tre til fem år.

Teamet demonstrerede, at en ny meta-OSR-belægning muliggøres ved brug af metaloxid, et materiale, der almindeligvis bruges til gennemsigtige elektriske kontakter, hvilken, i dette tilfælde, er mønstret i et metamateriale med meget stærk infrarød emissionsevne, samtidig med at den bevarer en lav absorption af solspektret.

Teamet demonstrerede også en 'smart' radiator baseret på deres metamaterialedesign, som tillader tuning af den strålende afkøling af rumfartøjet ved hjælp af en anden type metaloxid.

Prof Otto Muskens, fra University of Southampton og hovedforsker af undersøgelsen, sagde:"Meta-OSR-teknologien er helt baseret på holdbare og rumgodkendte uorganiske belægninger, som kan påføres fleksible tyndfilmsstoffer med potentiale til at blive udviklet som en ny teknologisk løsning.

"Da omkostningerne til montering og lancering af OSR'er er flere titusinder af amerikanske dollars pr. Kvadratmeter, selv små forbedringer i vægttab kan gøre en væsentlig ændring i rumindustrien. "

Understøttet af et toårigt Horizon 2020 rumteknologiprojekt, University of Southampton er medlem af META-REFLECTOR-konsortiet, som også omfatter det italienske forskningscenter Centro Ricerche Elettro-Ottiche (CREO), Dansk nanoimprint -udvikler NIL Technology og Thales Alenia Space.

Konsortiets arbejde er omtalt i ACS Photonics i to rapporter:'VO2 termokromisk metamaterialebaseret smart optisk solreflektor' og 'Metasurface optiske solreflektorer ved hjælp af AZO gennemsigtige ledende oxider til strålende køling af rumfartøjer'.

Dr. Kai Sun fra University of Southampton tilføjede:"Alle partnerne har aktivt arbejdet sammen for at sikre, at design og fremstilling er egnet til overførsel til masseproduktion. Det er en enestående forskningserfaring at overføre den banebrydende forskningsidé til et kommercielt produkt. "

Teamet arbejder i øjeblikket på at opskalere prototyperne til større områder gennem processer udviklet af NIL Technology, mens de første test af metamaterialerne i rummet forberedes.

Dr. Sandro Mengali, fra CREO, der har støttet undersøgelsen, sagde:"Passiv kontrol af den termiske emissionsevne er vigtig for at bevare værdifuld varme under opstart og formørkelser og for at opretholde rumfartøjets temperaturstabilitet.

"I øjeblikket, termisk emissionsevne kræver omfangsrige mekaniske komponenter såsom lameller, som er ekstremt dyre og tilbøjelige til at mislykkes, udgør en betydelig risiko for missioner.

"Den smarte meta-OSR-teknologi vil tilbyde et værdifuldt nyt værktøj til termiske ingeniører i rumfartøjer, af særlig betydning for det lette segment på satellitmarkedet. "