NASA-ingeniører udvikler sortere end sorte nanorør (m/ video)

(PhysOrg.com) -- Sort er sort, ret? Ikke så, ifølge et hold af NASA-ingeniører, der nu udvikler et mere sort end tonehøjdemateriale, der vil hjælpe videnskabsmænd med at indsamle svært tilgængelige videnskabelige målinger eller observere astronomiske objekter, der ikke er set, ligesom planeter på størrelse med jorden i kredsløb om andre stjerner.

Det nanoteknologibaserede materiale, der nu udvikles af et hold på 10 teknologer ved NASA Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., er en tynd belægning af flervæggede kulstofnanorør - små hule rør lavet af rent kulstof omkring 10, 000 gange tyndere end et hårstrå. Nanorør har et væld af potentielle anvendelser, især i elektronik og avancerede materialer på grund af deres unikke elektriske egenskaber og ekstraordinære styrke. Men i denne ansøgning, NASA er interesseret i at bruge teknologien til at hjælpe med at undertrykke vildfarent lys, der har en sjov måde at rive instrumentkomponenter af og forurene målinger.

Bedre end Paint

"Dette er en teknologi, der giver en masse tilbagebetaling, " sagde ingeniør Leroy Sparr, som vurderer dets effektivitet på Ocean Radiometer for Carbon Assessment (ORCA), et næste generations instrument, der er designet til at måle marin fotosyntese. "Det er omkring 10 gange bedre end sort maling", der typisk bruges af NASA-instrumentdesignere til at undertrykke vildfarent lys, han sagde.

Teknologien virker på grund af dens superabsorberende evner. Selve nanorørene er pakket lodret på samme måde som et shag tæppe. De bittesmå mellemrum mellem rørene absorberer 99,5 procent af det lys, der rammer dem. Med andre ord, meget få fotoner reflekteres fra kulstof-nanorørbelægningen, hvilket betyder, at herreløst lys ikke kan reflektere fra overflader og forstyrre det lys, som forskerne faktisk ønsker at måle. Det menneskelige øje ser materialet som sort, fordi kun en lille del af lyset reflekteres fra materialet.

Holdet begyndte at arbejde på teknologien i 2007. Uden at gruppen vidste det, det New York-baserede Rensselaer Polytechnic Institute havde også indledt en lignende indsats og annoncerede i 2008, at dets forskere havde udviklet det mørkeste kulstof nanorør-baserede materiale, der nogensinde er lavet - mere end tre gange mørkere end den tidligere rekord.

"Vores materiale er ikke helt så mørkt som deres, " sagde John Hagopian, hovedefterforskeren, der leder udviklingsteamet. "Men det, vi udvikler, er 10 gange sortere end nuværende NASA-malinger, der undertrykker systemets vildfarende lys. Desuden, det vil være robust til rumapplikationer, " han sagde.

Det er en vigtig sondring, sagde Carl Stahle, assisterende teknologichef for Goddards Instrument Systems and Technology Division. Ikke al teknologi kan bruges i rummet på grund af de barske miljøforhold, man støder på der. "Det er den virkelige styrke ved denne indsats, "Stahle sagde. "Gruppen er ved at finde måder at anvende ny teknologi og flyve den på vores instrumenter."

Stort gennembrud

Gennembruddet var opdagelsen af ​​et meget klæbende underlagsmateriale, hvorpå kulstofnanorørene kunne dyrkes, som kun er et par snesevis af nanometer i diameter. At dyrke kulstof nanorør, materialeforskere påfører typisk et katalysatorlag af jern på et underlag på siliciumsubstratet. De opvarmer derefter materialet i en ovn til ca. 750°C (1, 382°F). Under opvarmning, materialet er badet i kulstofholdig råmaterialegas.

Stephanie Getty, materialeforskeren på Hagopians hold, varierede underlaget samt tykkelsen af ​​katalysatormaterialerne for at skabe kulstof nanorør, der ikke kun absorberer lys, men forbliver også fastgjort til det materiale, de er dyrket på. Som resultat, de er mere holdbare og mindre tilbøjelige til at ridse af. Holdet har også dyrket holdbare nanorørbelægninger på titanium, et bedre strukturelt materiale til pladsbrug. Teamet finjusterer nu produktionsteknikker for at sikre ensartet kvalitet og lysdæmpningsfunktioner, sagde Hagopian.

Nye funktioner tilføjet

Skulle holdet bevise materialets egnethed i rummet, materialet ville give reelle fordele for instrumentudviklere, Hagopian tilføjede.

I øjeblikket, instrument developers apply black paint to baffles and other components to reduce stray light. Because reflectance tests have shown the coating to be more effective than paint, instrument developers could grow the carbon nanotubes on the components themselves, thereby simplifying instrument designs because fewer baffles would be required. To accommodate larger components, the team now is installing a six-inch furnace to grow nanotubes on components measuring up to five inches in diameter. And under a NASA R&D award, the team also is developing a separate technique to create sheets of nanotubes that could be applied to larger, non-conforming surfaces.

In addition to simplifying instrument design, the technology would allow scientists to gather hard-to-obtain measurements because of limitations in existing light-suppression techniques or to gather information about objects in high-contrast areas, including planets in orbit around other stars, Hagopian said.

The ORCA team, which is fabricating and aligning an instrument prototype, is the first to actually apply and test the technology. The instrument is the front-runner for the proposed Aerosol/Cloud/Ecosystems (ACE) mission and requires robust light-suppression technologies because more than 90 percent of the light gathered by the instrument comes from the atmosphere. Derfor, the team is looking for a technique to suppress the light so that it doesn't contaminate the faint signal the team needs to retrieve.

"It's been an issue with all the (ocean sensors) we've flown so far, " said ORCA Principal Investigator Chuck McClain.

Working with the ORCA team, Hagopian's group grew the coating on a slit, the conduit through which all light will pass on ORCA. "Having an efficient absorber is critical and the nanotubes could provide the solution, " McClain said. "Right now, it looks promising, " Sparr added. "If I can support them and they can continue advancing the technology so that it can be applied to other spacecraft components, it could be a very important development for NASA."

Goddard Chief Technologist Peter Hughes agrees, og, faktisk, selected Hagopian and his team to receive his organization’s 2010 "Innovator of the Year" award. "Our job is to develop and advance new technology that will ultimately result in better scientific measurements. Goddard has a well-deserved reputation for creating technologies that enhance instrument performance because we are adept at quickly infusing emerging technology for specific spaceflight applications. John’s team demonstrated that key strength. And in doing so, he’s leading the way in NASA’s quest to bring about a new level of scientific discovery, " Hughes said.