NASA ser på alsidig kulstof-nanorør-teknologi til rumflyvninger

En ultramørk belægning bestående af næsten usynlige shag tæppe-lignende tråde lavet af rent kulstof har vist sig at være yderst alsidig til alle typer rumflyvninger.

I den seneste anvendelse af kulstof-nanorør-belægningen, optisk ingeniør John Hagopian, en entreprenør ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og Goddard-videnskabsmanden Lucy Lim vokser en række små, knapformede bump af flervæggede nanorør på en siliciumwafer.

Prikkerne, som kun måler 100 mikrometer i diameter - nogenlunde på størrelse med et menneskehår - ville tjene som "ammunition"-kilde til en mini-elektronsonde. Denne type instrument analyserer de kemiske egenskaber af sten og jord på luftløse kroppe, som Månen eller en asteroide.

Selvom sonden stadig er tidligt i sin teknologiske udvikling, det er lovende, sagde Lim, der bruger finansiering fra NASA's Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations Program, bedre kendt som PICASSO, at fremme konceptet.

Elektronpistolen i nanoteknologisk størrelse

Nøglen til Lims instrument, selvfølgelig, er kulstof nanorør, som er fremragende elektronudsender. Opdaget i 1991, disse strukturer udviser også en række nyttige elektroniske, magnetiske og mekaniske egenskaber.

For at skabe disse meget alsidige strukturer, teknikere placerer en siliciumwafer eller et andet substrat inde i en ovn. Når ovnen opvarmes, de bader substratet med en kulstofråvaregas for at producere den tynde belægning af næsten usynlige hårlignende strukturer.

For elektronemitteren, Hagopian og Lim bruger denne teknik til at vokse små, cirkulære prikker af kulstof nanorør i et gittermønster, som Goddards detektorgren har lavet ved hjælp af fotolitografi. Placeret over og under gitteret af prikker er siliciumtråde eller spor og et gitter, der producerer to forskellige spændinger. Disse spændinger skaber et elektrisk felt, der aktiverer frigivelsen af ​​elektroner indeholdt i kulstof-nanorør-bumpene eller skovene.

Under Lims instrumentkoncept, elektronstrålerne ville så passere gennem en stak elektrostatiske linser for at accelerere deres hastighed og hjælpe med at fokusere dem på et udenjordisk mål. Når elektronerne rammer prøven, bombardementet ville ophidse elementerne i prøven, producerer røntgenstråler, som et spektrometer derefter ville analysere for at identificere prøvens kemiske sammensætning.

Forventet væsentlige forbedringer

Selvom NASA har fløjet andre instrumenter, der analyserer prøver ved hjælp af røntgenstråler, Lims koncept og hendes brug af kulstof nanorør kunne tilbyde betydelige forbedringer.

Hvad der er anderledes ved hendes kulstof-nanorør-baserede elektronfeltudsender er dens lille størrelse og det faktum, at den er fuldt adresserbar. "Vi ville være i stand til at vælge, hvilken bump vi vil aktivere, " sagde Lim. "Vi ville være i stand til at analysere forskellige pletter på prøven individuelt."

I modsætning, hvis instrumentet kun havde én elektronkilde, den kunne kun analysere én del af prøven, sagde Lim. "Vi ønsker at få kompositionskort, " tilføjede hun. "Uden den adresserbare sender, vi opdager måske ikke alle mineralerne i en prøve, hvor store er de, eller deres forhold til hinanden."

Ved test, Lim har vist, at bumpene udsender nok elektroner til at excitere en prøve. Desuden, Hagopian, der fløj et par belægningsprøver på den internationale rumstation i 2014, har bevist, at teknologien kan overleve en udflugt i det ydre rum.

Holdet, som også inkluderer Larry Hess med Goddard's Detector Branch, nærmer sig de tekniske udfordringer og ved, at nanoteknologien fungerer som forudset. Imidlertid, forhindringer tilbage, sagde Hagopian, grundlæggeren af ​​Lanham, Maryland-baseret Advanced Nanophotonics. At pakke det nanorør-baserede gitter ind i en lille pakke og derefter tilslutte det til instrumentets elektronik "er svært, " sagde Hagopian. Men, holdet mener, at det kan demonstrere den nanorør-baserede elektronsonde inden for et par år under den NASA-finansierede forskningsindsats.

Straylight undertrykkelse

I en helt anden applikation og en, der måske er bedre kendt, Hagopian er ved at udvikle belægninger til at absorbere strølys, der kan rive af instrumentkomponenter og i sidste ende forurene målinger.

Ved test, kulstof-nanorør-belægninger har vist sig meget effektive til at absorbere 99,8 procent af det lys, der rammer dem, og er grunden til, at de ser meget sorte ud. Når lys trænger ind i nanorørskoven, små mellemrum mellem rørene forhindrer lyset i at hoppe. Imidlertid, disse huller absorberer ikke lyset. Lysets elektriske felt exciterer elektroner i kulstofnanorørene, at omdanne lys til varme og effektivt absorbere det, sagde Hagopian.

For forskere ved Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, Hagopian vokser indviklet mønstrede nanorør på en komponent, der ændrer mønsteret af lys, der er afbøjet fra kanterne af teleskopstrukturer ved hjælp af koronagrafiske masker, som blokerer stjernelys, sagde Hagopian. NASA's Small Business Innovative Research-program har finansieret indsatsen.

Han samarbejder også med Principal Investigator Antonio Mannino for at skabe en belægning, der ville forhindre strølys i at forurene målinger indsamlet af et nyt instrument kaldet Coastal Ocean Ecosystem Dynamics Imager, eller COEDI. Dette hyperspektrale spektrometer er ved at blive designet til at overvåge havets farve fra geostationær kredsløb - målinger, som forskere og andre kunne bruge til at vurdere og styre kystressourcer.

"Jeg begyndte at arbejde med John [Hagopian] for to år siden, da jeg i testen opdagede, at strølys ville være et problem med COEDI, " sagde Mannino, som også udvikler sit instrument med NASA R&D-finansiering. "Vi bad ham hjælpe os med problemet. Jeg tror, ​​han er tæt på at løse det."