Ένα μοναδικό νέο υλικό που συρρικνώνεται όταν θερμαίνεται και διαστέλλεται όταν ψύχεται θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή εξαιρετικά σταθερών διαστημικών τηλεσκοπίων που θα χρειαστούν οι μελλοντικές αποστολές της NASA για την αναζήτηση κατοικήσιμων κόσμων.
Ένας από τους στόχους του Τμήματος Αστροφυσικής της NASA είναι να προσδιορίσει εάν είμαστε μόνοι στο σύμπαν. Οι αστροφυσικές αποστολές της NASA επιδιώκουν να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα εντοπίζοντας πλανήτες πέρα από το ηλιακό μας σύστημα (εξωπλανήτες) που θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ζωή. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει τρόπους για την ανίχνευση ατμοσφαιρών σε εξωπλανήτες παρατηρώντας στενά τα αστέρια μέσω προηγμένων τηλεσκοπίων. Καθώς το φως διέρχεται από την ατμόσφαιρα ενός πλανήτη ή αντανακλάται ή εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός πλανήτη, τα τηλεσκόπια μπορούν να μετρήσουν την ένταση και τα φάσματα (δηλαδή, το «χρώμα») του φωτός και μπορούν να ανιχνεύσουν διάφορες μετατοπίσεις στο φως που προκαλούνται από αέρια στην πλανητική ατμόσφαιρα. Αναλύοντας αυτά τα μοτίβα, οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν τους τύπους αερίων στην ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη.
Η αποκωδικοποίηση αυτών των μετατοπίσεων δεν είναι εύκολη υπόθεση επειδή οι εξωπλανήτες εμφανίζονται πολύ κοντά στα αστέρια που τους φιλοξενούν όταν τους παρατηρούμε και το φως των αστεριών είναι ένα δισεκατομμύριο φορές φωτεινότερο από το φως από έναν εξωπλανήτη μεγέθους Γης. Για την επιτυχή ανίχνευση κατοικήσιμων εξωπλανητών, το μελλοντικό Παρατηρητήριο Κατοικήσιμων Κόσμων της NASA θα χρειαστεί λόγο αντίθεσης ενός προς ένα δισεκατομμύριο (1:1.000.000.000).
Η επίτευξη αυτού του ακραίου λόγου αντίθεσης θα απαιτήσει ένα τηλεσκόπιο που είναι 1.000 φορές πιο σταθερό από τα υπερσύγχρονα διαστημικά αστεροσκοπεία όπως το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb της NASA και το επερχόμενο Διαστημικό Τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman. Νέοι αισθητήρες, αρχιτεκτονικές συστημάτων και υλικά πρέπει να ενσωματωθούν και να λειτουργήσουν από κοινού για την επιτυχία των μελλοντικών αποστολών. Μια ομάδα από την εταιρεία ALLVAR συνεργάζεται με το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Marshall της NASA και το Εργαστήριο Αεριώθησης της NASA για να δείξει πώς η ενσωμάτωση ενός νέου υλικού με μοναδικά αρνητικά χαρακτηριστικά θερμικής διαστολής μπορεί να βοηθήσει στην επίτευξη εξαιρετικά σταθερών δομών τηλεσκοπίων.
Η σταθερότητα του υλικού ήταν πάντα ένας περιοριστικός παράγοντας για την παρατήρηση ουράνιων φαινομένων. Για δεκαετίες, επιστήμονες και μηχανικοί εργάζονται για να ξεπεράσουν προκλήσεις όπως ο μικροερπυσμός, η θερμική διαστολή και η διαστολή της υγρασίας που επηρεάζουν αρνητικά τη σταθερότητα των τηλεσκοπίων. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα για τα κάτοπτρα και τις αντηρίδες των τηλεσκοπίων έχουν βελτιώσει δραστικά τη διαστατική σταθερότητα των μεγάλων αστεροσκοπείων όπως το Webb και το Roman, αλλά όπως υποδεικνύεται στην Δεκαετή Έρευνα για την Αστρονομία και την Αστροφυσική 2020 που αναπτύχθηκε από τις Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής, εξακολουθούν να μην επαρκούν για τη σταθερότητα του επιπέδου των 10 πικόμετρων για αρκετές ώρες που θα απαιτείται για το Παρατηρητήριο Κατοικήσιμοι Κόσμοι. Για προοπτική, 10 πικόμετρα είναι περίπου το 1/10 της διαμέτρου ενός ατόμου.
Η χρηματοδότηση από τη NASA και άλλες πηγές επέτρεψε σε αυτό το υλικό να μεταβεί από το εργαστήριο στην εμπορική κλίμακα. Η ALLVAR έλαβε χρηματοδότηση από το πρόγραμμα NASA Small Business Innovative Research (SBIR) για την κλιμάκωση και ενσωμάτωση ενός νέου υλικού κράματος σε επιδείξεις δομής τηλεσκοπίων για πιθανή χρήση σε μελλοντικές αποστολές της NASA, όπως το Habitable Worlds Observatory. Αυτό το κράμα συρρικνώνεται όταν θερμαίνεται και διαστέλλεται όταν ψύχεται – μια ιδιότητα γνωστή ως αρνητική θερμική διαστολή (NTE). Για παράδειγμα, το ALLVAR Alloy 30 παρουσιάζει συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) -30 ppm/°C σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό σημαίνει ότι ένα κομμάτι αυτού του κράματος NTE μήκους 1 μέτρου θα συρρικνωθεί κατά 0,003 mm για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1 °C. Για λόγους σύγκρισης, το αλουμίνιο διαστέλλεται στους +23 ppm/°C.
Επειδή συρρικνώνεται όταν άλλα υλικά διαστέλλονται, το κράμα ALLVAR 30 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντισταθμίσει στρατηγικά τη διαστολή και τη συστολή άλλων υλικών. Η μοναδική ιδιότητα NTE του κράματος και η έλλειψη διαστολής λόγω υγρασίας θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους σχεδιαστές οπτικών να αντιμετωπίσουν τις ανάγκες σταθερότητας των μελλοντικών δομών τηλεσκοπίων. Οι υπολογισμοί έχουν δείξει ότι η ενσωμάτωση του κράματος ALLVAR 30 σε ορισμένα σχέδια τηλεσκοπίων θα μπορούσε να βελτιώσει τη θερμική σταθερότητα έως και 200 φορές σε σύγκριση με τη χρήση μόνο παραδοσιακών υλικών όπως αλουμίνιο, τιτάνιο, πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRPs) και το κράμα νικελίου-σιδήρου, Invar.
Για να αποδειχθεί ότι τα κράματα αρνητικής θερμικής διαστολής μπορούν να επιτρέψουν εξαιρετικά σταθερές δομές, η ομάδα ALLVAR ανέπτυξε μια εξαποδική δομή για να διαχωρίσει δύο καθρέφτες κατασκευασμένους από ένα εμπορικά διαθέσιμο υαλοκεραμικό υλικό με εξαιρετικά χαμηλές ιδιότητες θερμικής διαστολής. Το Invar συγκολλήθηκε με τους καθρέφτες και καμπύλες από Ti6Al4V – ένα κράμα τιτανίου που χρησιμοποιείται συνήθως σε αεροδιαστημικές εφαρμογές – προσαρτήθηκαν στο Invar. Για να αντισταθμιστούν οι θετικοί CTE των εξαρτημάτων Invar και Ti6Al4V, χρησιμοποιήθηκε ένας σωλήνας NTE ALLVAR Alloy 30 μεταξύ των καμπυλώσεων Ti6Al4V για να δημιουργηθούν οι αντηρίδες που χωρίζουν τα δύο κάτοπτρα. Η φυσική θετική θερμική διαστολή των εξαρτημάτων Invar και Ti6Al4V αντισταθμίζεται από την αρνητική θερμική διαστολή των αντηρίδων του κράματος NTE, με αποτέλεσμα μια δομή με αποτελεσματική μηδενική θερμική διαστολή.
Η σταθερότητα της δομής αξιολογήθηκε στο Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών και Αστροφυσικής του Πανεπιστημίου της Φλόριντα. Η εξαποδική δομή επέδειξε σταθερότητα πολύ κάτω από τον στόχο των 100 pm/√Hz και πέτυχε 11 pm/√Hz. Αυτή η πρώτη επανάληψη είναι κοντά στη σταθερότητα στις 10 μ.μ. που απαιτείται για το μελλοντικό Παρατηρητήριο Κατοικήσιμων Κόσμων. Μια εργασία και μια παρουσίαση που έγινε στο συνέδριο της Εταιρείας Μηχανικών Φωτοοπτικών Οργάνων τον Αύγουστο του 2021 παρέχει λεπτομέρειες σχετικά με αυτήν την ανάλυση.
Επιπλέον, μια σειρά δοκιμών που διεξήχθησαν από τη NASA Marshall έδειξε ότι οι εξαιρετικά σταθερές αντηρίδες ήταν σε θέση να επιτύχουν σχεδόν μηδενική θερμική διαστολή που ταίριαζε με τους καθρέφτες στην παραπάνω ανάλυση. Αυτό το αποτέλεσμα μεταφράζεται σε μια αλλαγή λιγότερο από 5 nm μέσης τετραγωνικής ρίζας (rms) στο σχήμα του καθρέφτη σε μια αλλαγή θερμοκρασίας 28K.
Πέρα από τις εξαιρετικά σταθερές δομές, η τεχνολογία κράματος NTE έχει επιτρέψει βελτιωμένη απόδοση παθητικού θερμικού διακόπτη και έχει χρησιμοποιηθεί για την εξάλειψη των αρνητικών επιπτώσεων των αλλαγών θερμοκρασίας στις βιδωτές συνδέσεις και στα υπέρυθρα οπτικά. Αυτές οι εφαρμογές θα μπορούσαν να επηρεάσουν τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε άλλες αποστολές της NASA. Για παράδειγμα, αυτά τα νέα κράματα έχουν ενσωματωθεί στο κρυογονικό υποσύνολο της επίδειξης τεχνολογίας κορωνογράφου του Roman. Η προσθήκη ροδέλων NTE επέτρεψε τη χρήση θερμικών ιμάντων πυρολυτικού γραφίτη για πιο αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας. Το κράμα ALLVAR 30 χρησιμοποιείται επίσης σε έναν παθητικό θερμικό διακόπτη υψηλής απόδοσης που ενσωματώνεται στο έργο Lunar Surface Electromagnetics Experiment-Night (LuSEE Night) του UC Berkeley Space Science Laboratory στο Blue Ghost Mission 2 της Firefly Aerospace, το οποίο θα παραδοθεί στη Σελήνη μέσω της πρωτοβουλίας CLPS (Commercial Lunar Payload Services) της NASA. Τα κράματα NTE επέτρεψαν μικρότερο μέγεθος θερμικού διακόπτη και μεγαλύτερους λόγους αγωγιμότητας θερμότητας on-off για το LuSEE Night. Μέσω μιας άλλης πρόσφατης προσπάθειας του NASA SBIR, η ομάδα ALLVAR συνεργάστηκε με το Εργαστήριο Αεριοπροώθησης της NASA για να αναπτύξει λεπτομερή σύνολα δεδομένων των ιδιοτήτων του υλικού ALLVAR Alloy 30. Αυτά τα μεγάλα σύνολα δεδομένων περιλαμβάνουν στατιστικά σημαντικές ιδιότητες υλικών όπως αντοχή, μέτρο ελαστικότητας, κόπωση και θερμική αγωγιμότητα. Η ομάδα συνέλεξε επίσης πληροφορίες για λιγότερο συνηθισμένες ιδιότητες όπως η μικρο-ερπυσμός και η μικρο-διαρροή. Με τον χαρακτηρισμό αυτών των ιδιοτήτων, το ALLVAR Alloy 30 ξεπέρασε ένα σημαντικό εμπόδιο για την πιστοποίηση διαστημικού υλικού.
Ως προϊόν αυτής της εργασίας που χρηματοδοτείται από τη NASA, η ομάδα αναπτύσσει ένα νέο κράμα με ρυθμιζόμενες ιδιότητες θερμικής διαστολής που μπορεί να ταιριάξει με άλλα υλικά ή ακόμα και να επιτύχει μηδενικό CTE. Η αναντιστοιχία θερμικής διαστολής προκαλεί προβλήματα διαστατικής σταθερότητας και δύναμης-φορτίου που μπορούν να επηρεάσουν τομείς όπως η πυρηνική μηχανική, η κβαντική υπολογιστική, η αεροδιαστημική και η άμυνα, η οπτική, η θεμελιώδης φυσική και η ιατρική απεικόνιση. Οι πιθανές χρήσεις για αυτό το νέο υλικό πιθανότατα θα επεκταθούν πολύ πέρα από την αστρονομία. Για παράδειγμα, οι ροδέλες και οι αποστάτες που ανέπτυξε η ALLVAR είναι πλέον εμπορικά διαθέσιμοι για τη διατήρηση σταθερών προφορτώσεων σε ακραίες θερμοκρασίες τόσο σε διαστημικά όσο και σε επίγεια περιβάλλοντα. Αυτές οι ροδέλες και οι διαχωριστές υπερέχουν στην αντιμετώπιση της θερμικής διαστολής και συστολής άλλων υλικών, εξασφαλίζοντας σταθερότητα για απαιτητικές εφαρμογές.
Για περισσότερες λεπτομέρειες, ανατρέξτε στην καταχώρηση για αυτό το έργο στο NASA TechPort.
Επικεφαλής Έργου: Δρ. James A. Monroe, ALLVAR
Οι ακόλουθοι οργανισμοί της NASA χρηματοδότησαν αυτήν την προσπάθεια: Τμήμα Αστροφυσικής της NASA, Πρόγραμμα NASA SBIR που χρηματοδοτείται από τη Διεύθυνση Αποστολών Διαστημικής Τεχνολογίας (STMD).
