Forskere designer termisk hud for at opretholde temperaturen på satellitter

Synes du, det er vigtigt at holde din kaffe varm? Prøv satellitter. Hvis en satellits temperatur ikke holdes inden for sit optimale område, dens ydeevne kan lide, hvilket kan betyde, at det kan være sværere at spore naturbrande eller andre naturkatastrofer, dine Google maps virker muligvis ikke, og din Netflix-binge kan blive afbrudt. Dette kan forhindres med et nyt materiale, der for nylig er udviklet af ingeniører fra USC Viterbi School of Engineering.

Når satellitter rejser bagved Jorden, jorden kan blokere solens stråler fra at nå satellitterne--køle dem ned. I rummet, en satellit kan stå over for ekstrem temperaturvariation så meget som 190 til 260 grader Fahrenheit. Det har længe været en udfordring for ingeniører at holde satellittemperaturerne fra at svinge voldsomt. Satellitter har traditionelt brugt en af ​​to mekanismer:fysiske "skodder" eller varmerør til at regulere varmen. Begge løsninger kan nedbryde strømreserverne om bord. Selv med solenergi, outputtet er begrænset. Desuden, begge løsninger tilføjer masse, vægt og designkompleksitet til satellitter, som allerede er ret dyre at lancere.

Tager tegn fra mennesker, der har et selvstændigt system til at styre indre temperatur gennem homeostase, et team af forskere, herunder Michelle L. Povinelli, professor i Ming Hsieh Institut for Elektroteknik ved USC Viterbi School of Engineering, og USC Viterbi-studerende Shao-Hua Wu og Mingkun Chen, sammen med Michael T. Barako, Vladan Jankovic, Philip W.C. Hon og Luke A. Sweatlock fra Northrop Grumman, udviklet et nyt materiale til selvregulering af satellitens temperatur. Teamet af ingeniører med ekspertise inden for optik, fotonik, og termisk teknik udviklede en hybridstruktur af silicium og vanadiumdioxid med et konisk design for bedre at kontrollere strålingen fra satellittens krop. Det er som en tekstureret hud eller belægning.

Vanadiumdioxid fungerer som det, der er kendt som et "faseændringsmateriale". Det fungerer på to forskellige måder:som en isolator ved lave temperaturer og en leder ved høje temperaturer. Dette påvirker, hvordan det udstråler varme. Ved over 134 grader Fahrenheit (330 grader Kelvin), den udstråler så meget varme som muligt for at køle satellitten ned. Ved omkring to grader under dette, materialet lukker varmestrålingen af ​​for at varme satellitten op. Materialets kegleformede struktur (næsten som en stikkende hud) er usynlig for det menneskelige øje ved omkring halvdelen af ​​tykkelsen af ​​et enkelt menneskehår – men har et særskilt formål med at hjælpe satellitten med at tænde og slukke for sin stråling meget effektivt.

Resultater

Hybridmaterialet udviklet af USC og Northrop Grumman er tyve gange bedre til at holde temperaturen end silicium alene. Vigtigere, passiv regulering af satellitternes varme og temperatur kunne øge satellitternes levetid ved at reducere behovet for at bruge strøm om bord.

Applikationer på jorden

Udover brug på en satellit, materialet kunne også bruges på jorden til termisk styring. Det kunne anvendes på en bygning over et stort område for mere effektivt at opretholde en bygnings temperatur.

Studiet, "Termisk homeostase ved hjælp af mikrostrukturerede faseændringsmaterialer, "udgives i Optica . Forskningen blev finansieret af Northrop Grumman og National Science Foundation. Denne udvikling er en del af en tematisk forskningsindsats mellem Northrop Grumman, NG Next Basic Research og USC kendt som Northrop Grumman Institute of Optical Nanomaterials and Nanophotonics (NG-ION2).

Forskerne arbejder nu på at udvikle materialet i USC's mikrofabrikationsanlæg og vil sandsynligvis drage fordel af de nye muligheder i det nyligt dedikerede John D. O'Brien Nanofabrication Laboratory i USC Michelson Center for Convergent Bioscience.