MXene-coatede enheder kan lede mikrobølger i rummet og lette nyttelasten

En af de vigtigste komponenter i satellitter, der muliggør telekommunikation, er bølgelederen, som er et metalrør til at lede radiobølger. Det er også en af ​​de tungeste nyttelast, satellitter bærer i kredsløb. Som med al rumteknologi betyder reduktion af vægten at reducere mængden af ​​dyrt og drivhusgasproducerende brændstof, der skal til for at affyre en raket, eller at øge antallet af enheder, som den samme raket bærer til rummet.

Forskere fra Drexel University og University of British Columbia forsøger at lette belastningen ved at skabe og teste en bølgeleder lavet af 3D-printede polymerer belagt med et ledende nanomateriale kaldet MXene.

I deres papir for nylig offentliggjort i tidsskriftet Materials Today , rapporterede gruppen om potentialet ved at bruge MXene-belægninger til at give lette, ikke-ledende komponenter elektrisk ledningsevne - en egenskab, der er ofret i additiv fremstilling ved hjælp af polymermaterialer, såsom plast.

"I rumflyvninger tæller hvert ekstra gram vægt," sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach Professor i Drexel's College of Engineering, som er førende inden for MXene-forskning. "MXene-materialer giver en af ​​de tyndest mulige belægninger - deres flager har en tykkelse på nogle få atomer - der kan skabe en ledende overflade, så vi ser et stort potentiale i at bruge MXenes til at behandle additivfremstillede komponenter lavet af polymerer, der har komplekse former."

Bølgeledere fungerer som rørledninger til mikrobølger. De dirigerer bølgerne til modtagere, mens de bevarer signalets kraft. I en mikrobølgeovn sørger bølgeledere for opvarmningen af ​​maden; på en satellit overfører de højkvalitetssignaler mellem forskellige objekter inden for og mellem satellitter, såvel som mellem satellitter og Jorden.

Og ligesom det indviklede netværk af rør, der snor sig gennem et hjem, er bølgeledere designet i forskellige former, så de passer ind i trange rum. De kan variere fra simple, lige kanaler til strukturer så komplekse som en labyrint.

"Bølgeledere kan være lige så grundlæggende som en lige, rektangulær kanal, eller de kan omdannes til former, der ligner et 'skørt strå' med bøjninger og drejninger," sagde Mohammad Zarifi, en lektor, der studerer mikrobølgekommunikation ved University of British Columbia og ledet teamets elektroingeniør- og designindsats. "Den virkelige gamechanger er imidlertid fremkomsten af ​​additive fremstillingsmetoder, som giver mulighed for mere komplekse designs, som kan være svære at fremstille med metaller."

Mens næsten ethvert hult rør kan bruges som en primitiv "bølgeleder", skal de, der transmitterer elektromagnetiske bølger - i mikrobølgeovne og telekommunikationsenheder, for eksempel - være lavet af et ledende materiale for at bevare transmissionskvaliteten. Disse bølgeledere er typisk lavet af metaller som sølv, messing og kobber. I satellitter er aluminium det lettere valg.

Forskerne fra Drexel, som først opdagede MXenes i 2011 og har ledet deres forskning og udvikling lige siden, foreslog, at 2D nanomaterialerne ville være en god kandidat som belægning til plastikbølgelederkomponenterne baseret på deres tidligere opdagelser om, at MXenes kan blokere og kanalisere elektromagnetisk stråling.

"Vores MXene-belægning viste sig som en stærk kandidat til denne applikation, fordi den er meget ledende, fungerer som et elektromagnetisk skjold og kan fremstilles ved blot at dyppe bølgelederen i MXener spredt i vand," sagde Lingyi Bi, en Ph.D. kandidat i Gogotsis gruppe. "Andre metalliske malinger er blevet testet, men på grund af de kemikalier, der bruges til at stabilisere deres metalliske ingredienser, lider deres ledningsevne i forhold til MXenes."

Derudover rapporterede forskerne, at MXene-belægningen bundede usædvanligt godt til de 3D-printede nylonbølgeledere på grund af kompatibilitet mellem deres kemiske strukturer. Teamet dip-coated letvægtsstyr i forskellige former og størrelser – lige, bøjet, snoet og resonatorformet – for at teste MXenes evne til at dække deres indre grundigt.

De MXene-coatede nylonbølgeledere vejer omkring otte gange mindre end de standardaluminium, der bruges i øjeblikket, og MXene-coatingen tilføjede kun en tiendedel af et gram til den samlede vægt af komponenterne.

Vigtigst er det, at MXene-bølgelederne præsterede næsten lige så godt som deres aluminium-modstykker, og viste en effektivitet på 81 % til at lede elektromagnetiske bølger mellem to terminaler efter kun en cyklus med dyppebelægning, kun et fald på 2,3 % i forhold til aluminiums ydeevne. Forskerne demonstrerede, at de kunne forbedre denne transmissionsmetrik ved at variere belægningslag eller størrelsen af ​​MXene-flager – og nå en toptransmissionseffektivitet på 95 %.

Denne ydeevne holdt sig stabil, når transmissionen blev ringet op til de forskellige frekvensbånd, såsom dem, der i øjeblikket bruges i satellitkommunikation med lavt kredsløb om Jorden, og en tilstrækkelig høj inputeffekt til disse transmissioner. Det blev heller ikke væsentligt nedbrudt efter tre måneder, en indikator for belægningens holdbarhed.

"De MXene-coatede bølgeledere skal stadig gennemgå omfattende tests og blive certificeret til rumbrug, før de kan bruges på satellitter," sagde Roman Rakhmanov, en doktorgradskandidat ved Drexel, som deltog i forskningen. "Men denne opdagelse kan være et vigtigt skridt mod den næste generation af rumteknologi."

Gogotsis team planlægger at fortsætte sin udforskning af MXene-belægninger i applikationer, der kunne drage fordel af et alternativ til metalkomponenter.

"Disse lovende resultater tyder på, at MXene-coatede komponenter kunne være en levedygtig letvægtserstatning for bølgeledere, der bruges i rummet," sagde Gogotsi. "Vi mener, at belægningerne også kunne optimeres til transmissioner af varierende frekvenser og påføres en række additivfremstillede eller sprøjtestøbte polymerkomponenter, hvilket også giver et letvægts og billigt alternativ til metaller i en række jordbaserede applikationer. "

Flere oplysninger: Omid Niksan et al., MXene guider mikrobølger gennem 3D polymere strukturer, Materials Today (2024). DOI:10.1016/j.mattod.2023.12.013

Leveret af Drexel University