グラフェン

ギリシャの Adamant Composites との ESA プロジェクトでは、グラフェン (およびその他のナノサイズの材料) の追加によって衛星の熱特性と電気特性がどのように最適化されるかをテストしました。

空気のない真空の宇宙は、衛星の一部が日光に当たり、残りは日陰になるため、衛星が同時に暑くなることと寒くなる可能性がある場所です。 熱が蓄積すると部品の位置がずれたり、座屈したりする可能性があるため、科学者は衛星体内の極端な温度を最小限に抑えるよう取り組んでいます。 断熱性の高い真空条件におけるもう 1 つの望ましくない結果は、衛星の表面に電荷が蓄積することです。これは、最終的には破壊的または有害な放電現象を引き起こす可能性があります。 衛星に搭載される従来の金属部品は複合材料に取って代わられる傾向にありますが、これらのポリマーベースの材料は熱伝導性と電気伝導性が低いため、このような問題がさらに複雑になります。

従来、このような影響を回避するために、ミッション設計者はヒートストラップやパイプなどの専用の熱伝導インフラを挿入し、衛星の周囲の金属接地ストリップが導電経路を提供していました。

補完的な戦略として、ギリシャに本拠を置くAdamant Compositesは、衛星パネルの製造に使用されるプリプレグ複合材料や衛星パネルのインサートの埋め込みに使用される接着剤にグラフェンやその他の2D材料を「ナノ化可能」ベースで追加するESAプロジェクトを監督した。構造部品を結合したり、オンボード電子機器を接着したりします。

このプロジェクトは、ESA の総合支援技術プログラム (GSTP) を通じて支援され、材料レベルではパトラス大学の応用力学研究所とドイツの Beyond Gravity によってテストが実施され、宇宙と公開市場向けの有望な技術を準備しました。パネルレベルの資格。

アダマント・コンポジット社のコマーシャル・ディレクターであるアタナシオス・バルトプロス氏は、「このアイデアは、ナノテクノロジーを利用してこれらの構造複合材料を改変し、熱的および電気的性能を向上させることでした。私たちは以前の活動で宇宙に関するコンセプトを証明していました。」と説明しています。

Adamant Composites の材料およびプロセス エンジニアである Nicolas Blasakis 氏は、次のように付け加えています。「原理的に機能することはすでにわかっていたので、これは基礎的な研究ではありませんでした。範囲は、製品を成熟させ、それが環境で機能することを検証する方向にありました。」適切な産業環境。」

このプロジェクトは、関係する材料とプロセスの安定性を特徴付けることから始まり、次に、結果として得られる宇宙コンポーネントの評価を行いました。これには、代表的な機械的および熱的環境でのハードウェアのデモンストレーションが含まれていました。

2 つの 0.5 x 1 m の炭素繊維強化ポリマー (CFRP) サンドイッチ パネルがテスト用に製造されました。1 つは従来の材料を使用し、もう 1 つはナノ対応の同等の材料を使用しました。 適切な質量ダミーを組み立て、アダプターをテストして、両方のパネルを振動と熱サイクルにさらし、関連する環境条件をシミュレートしました。 設定された要件を満たしていることを確認するために、「ハンマーテスト」やレーザートラッキングなどの追加検査が実施されました。

ナノ対応材料の使用による熱的利点を明らかにするために、専用の小型エンジニアリング モデルが開発されました。このモデルでは、カスタム ネジを使用してパネルの標準インサートに熱を注入し、真空下およびさまざまな環境温度下での熱の伝播を研究しました。 X 線断層撮影により、接着剤塗布プロセスの均一性という観点から、ポッティングの品質についてさらに洞察が得られました。

粘着材料にグラフェンを追加すると、その導電性が数桁増加すると同時に、熱伝導性が 3 倍に向上し、構造的性能が維持されます。 同時に、CFRP は複合材料の厚さ方向で熱伝導率が 25% 増加しました。 パネルレベルでは、これらにより温度差が大幅に抑制され、温度勾配が半分に減少します。

Baltopoulos 博士は次のように説明しました。「達成された最も重要なことは、この技術が工業化に向けたステップに従ってうまく機能すること、実際の量のプロジェクトをサポートできること、そしてさらに前進する準備ができていることを確認したことです。 -テクノロジーを実際のミッションに活用できるようにすれば、設計を通じて冗長な熱伝導部品や導電部品を取り除くことで、質量の削減とより優れた制御が可能になります。」

この結果はまた、従来の材料とナノ対応材料の両方から衛星パネルを製造する同社の能力を証明しており、ギリシャにとって新たな産業能力を示しており、これによりアダマント・コンポジット社は将来の欧州および/または国内の小型衛星ミッションに参加する選択肢を模索できるようになるだろう。

次のステップとして、同社はナノ化可能材料をラジエーターやヒートパイプなどのより一般的な熱要素と組み合わせて性能を向上させる方法を研究する予定だ。

このプロジェクトの ESA 技術責任者であるブノワ・ボンヴォワザン氏は、「ナノ化のアイデアは、複合材料をカスタマイズする機会を与えてくれます。これは、CFRP の安全な「破壊性」を強化するなど、他の用途でも有望に思えます。つまり、確実に燃焼することを保証します。大気圏突入中に地上の人や財産への危険を防ぐために上昇します。」

「このプロジェクトでESAと協力することで多くのメリットが得られました」とブラサキス氏は付け加えた。 「市場知識の観点から見ると、ESA のミッションはこれらの開発における潜在的な最終顧客を代表するものであるため、私たちは有益な視点を獲得してきました。また、ESA 技術責任者とその同僚のエンジニアのサポートに加えて、いくつかの専門機器へのアクセスも得ています。必要に応じて材料テストに使用します。

「ESA のガイダンスは、私たちの質問に答えてくれる適切な担当者とつながり、私たちが確立しているプロセスが業界の要件とどのように一致しているかを知ることができることを意味します。これは、私たちのような若い会社の進化を通じて非常に役立つことが証明されました。」