De komende zes maanden zal een camerasysteem aan de buitenkant van het International Space Station (ISS) foto's maken van meer dan een dozijn verschillende materiaalmonsters en gedetailleerde informatie verzamelen die onderzoekers zal helpen bepalen hoe - en waarom - de barre omstandigheden van ruimte beïnvloeden deze materialen. Een van de problemen die moeten worden bestudeerd, zijn kleurveranderingen die kunnen wijzen op de degradatie die wordt veroorzaakt door blootstelling aan de omgeving in de ruimte.

Een belangrijk doel van het onderzoek zal zijn om de kleurveranderingen die optreden bij blootstelling aan een lage baan om de aarde (LEO) te correleren met variaties in de eigenschappen van de materialen - zoals structurele sterkte, chemische samenstelling en elektrische geleidbaarheid - om te bepalen hoe deze spectrale veranderingen kunnen wetenschappers en ingenieurs in staat stellen om achteruitgang visueel te beoordelen. De LEO-ruimteomgeving stelt materialen bloot aan de schadelijke effecten van atomaire zuurstof, ultraviolette straling en hoogenergetische elektronen.

"We willen niet alleen weten hoe de ruimte materialen beïnvloedt, maar ook waarom dat gebeurt", zegt Elena Plis, een senior onderzoeksingenieur bij het Georgia Tech Research Institute (GTRI), die het onderzoeksteam met meerdere organisaties leidt. "We weten bijvoorbeeld dat een veelgebruikt materiaal van DuPont, Kapton-polyimidefilm, onderhevig is aan veranderingen in zijn geleidbaarheid in de ruimte, maar we willen weten waarom, hoe we dat kunnen voorkomen of hoe we het in ons voordeel kunnen gebruiken ."

Door de materialen regelmatig te fotograferen in zowel het zichtbare als het infrarode spectrale bereik, wordt een dynamisch beeld gegeven van wat er gebeurt met optische eigenschappen in de ruimte, waarbij de kennis wordt verbeterd die vaak beperkt was tot metingen voor en na blootstelling aan de ruimte. Het onderzoeksteam zal de materialen die naar de aarde zijn teruggestuurd uitgebreid analyseren om beter te begrijpen hoe degradatie van de ruimte andere materiaaleigenschappen kan beïnvloeden en deze informatie gebruiken voor de langetermijnplanning van ruimtemissies.

"Ik ben geïnteresseerd in de dynamiek van schade aan materialen in de ruimte", legt Plis uit. "Tot nu toe hadden we over het algemeen slechts twee gegevenspunten om de effecten van de ruimte te beoordelen:de ongerepte materialen die we lanceren en de cumulatieve effecten die we kunnen zien wanneer materialen worden geretourneerd. Het unieke van dit experiment is dat we kunnen kijken naar de schade ontstaat in de loop van de tijd."

Naast GTRI omvat het onderzoeksteam onderzoekers van het Air Force Research Laboratory (AFRL), NASA, de Universiteit van Texas in El Paso en DuPont, een multi-industrieel bedrijf met het hoofdkantoor in Wilmington, Del. Gebruikmakend van het Materials International Space Station Experiment ( MISSE) Flight Facility, het onderzoek wordt ook ondersteund door Aegis Aerospace Inc., het bedrijf dat eigenaar en beheerder is van het MISSE-platform dat op het ISS is geïnstalleerd.

Door de spectrale gegevens die door het experiment zijn verkregen te analyseren, kunnen waarnemers ook bepalen of een stuk ruimteafval afkomstig is van een lichtgewicht isolerende deken of een zwaardere printplaat die ruimtevaartuigen in een baan om de aarde zou kunnen beschadigen. Naast het bieden van een nieuwe manier om de structurele gezondheid van materialen op afstand te beoordelen en de risico's van ruimtepuin te beoordelen, zal het experiment ingenieurs ook helpen bij het evalueren van nieuwe materialen die ontwerpers van toekomstige ruimtevaartuigen nieuwe opties kunnen bieden.

"DuPont Kapton HN polyimidefilm is bijvoorbeeld een materiaal dat al sinds de Apollo-missies wordt gebruikt, waardoor het de gouden standaard is", zei Plis. "Maar er zijn veel meer materialen die verbeterde eigenschappen kunnen bieden, dus we gaan kijken hoe sommige voorbeelden hiervan door de ruimte worden beïnvloed."

Veel van de materialen die worden bestudeerd, worden gebruikt om systemen en bemanningen van ruimtevaartuigen te beschermen tegen de effecten van snelle thermische veranderingen die in een baan om de aarde plaatsvinden en tegen schadelijke elektrische oplaadeffecten. De MISSE-16-materialenselectie omvat verschillende soorten polyimiden, vloeibare kristalpolymeren (LCP), polyedrische oligomere silsesquioxaan (POSS), koolstof- en glasvezelversterkte polymeren en polyethyleentereftalaat (PET) polyesterfilms.

De monsters zijn met behulp van een robotarm aan de buitenkant van het ISS geïnstalleerd en zullen over ongeveer zes maanden op dezelfde manier worden opgehaald. De monsters zullen op drie verschillende zijden van het ISS worden geplaatst om preferentiële blootstelling aan atomaire zuurstof, ultraviolette straling en hoogenergetische elektronen te ontvangen. De monsters werden aan het ISS geleverd door een SpaceX Dragon-vrachtruimtevaartuig dat op 16 juli werd gelanceerd.

Om de langetermijnobservatie in een baan om de aarde te vergemakkelijken, is het MISSE-testbed geüpgraded met een camera en verlichtingssysteem om een ​​breder spectraal bereik te bestrijken, inclusief infrarood, wat belangrijk is voor het observeren van bepaalde aspecten van degradatie. De geüpgradede hardware blijft onderdeel van de MISSE-instrumentatie nadat het door GTRI geleide experiment is afgelopen.

De monsters, die vierkanten van één inch zijn, zullen naar verwachting volgend voorjaar naar de aarde worden teruggebracht. De materialen die in de ruimte worden gevlogen, zullen in detail worden onderzocht om de degradatie te begrijpen en worden vergeleken met identieke monsters die worden onderworpen aan gesimuleerde ruimteomstandigheden in het laboratorium. In totaal zullen de monsters worden onderworpen aan 10 verschillende karakteriseringstechnieken, waaronder atoomkrachtmicroscopie, optische karakterisering van reflectie en absorptie, en metingen van elektrische ladingsoverdracht.

"We zullen proberen de optische eigenschappen te verbinden met oppervlakteveranderingen en chemische veranderingen", zei Plis. "Met onze grondexperimenten hopen we deze veranderingen en de fysica die erachter zit te begrijpen."

Voor Plis, die sinds 2015 de effecten van blootstelling aan de ruimte op materialen bestudeert, was het zien van de lancering van het onderzoek in de ruimte het resultaat van een jarenlang toepassings- en ontwikkelingsproces.

"Voor mij was het lanceren van de materialen erg emotioneel", zei ze. "Het is als een droom die uitkomt om mijn onderzoek de ruimte in te sturen en gegevens uit de ruimte te krijgen. Dit is mijn eerste project dat de ruimte in gaat en ik hoop dat er meer zullen volgen." + Verder verkennen

Blootgesteld! International Space Station test organismen, materialen in de ruimte