Denk je dat het belangrijk is om je koffie warm te houden? Probeer satellieten. Als de temperatuur van een satelliet niet binnen het optimale bereik wordt gehouden, zijn prestaties kunnen eronder lijden, wat kan betekenen dat het moeilijker kan zijn om bosbranden of andere natuurrampen op te sporen, uw Google maps werken mogelijk niet en uw Netflix-binge kan worden onderbroken. Dit kan worden voorkomen met een nieuw materiaal dat onlangs is ontwikkeld door ingenieurs van de USC Viterbi School of Engineering.

Wanneer satellieten achter de aarde reizen, de aarde kan voorkomen dat de zonnestralen de satellieten bereiken - ze afkoelen. In de ruimte, een satelliet kan extreme temperatuurschommelingen van wel 190 tot 260 graden Fahrenheit aan. Het is al lang een uitdaging voor ingenieurs om te voorkomen dat de satelliettemperaturen wild fluctueren. Satellieten hebben conventioneel een van de twee mechanismen gebruikt:fysieke "luiken" of warmtepijpen om warmte te reguleren. Beide oplossingen kunnen de energiereserves aan boord uitputten. Zelfs met zonne-energie, de output is beperkt. Verder, beide oplossingen voegen massa toe, gewicht en ontwerpcomplexiteit voor satellieten, die al vrij duur zijn om te lanceren.

Aanwijzingen nemen van mensen die een op zichzelf staand systeem hebben om de interne temperatuur te beheersen door middel van homeostase, een team van onderzoekers, waaronder Michelle L. Povinelli, een professor in de Ming Hsieh Department of Electrical Engineering aan de USC Viterbi School of Engineering, en USC Viterbi-studenten Shao-Hua Wu en Mingkun Chen, samen met Michael T. Barako, Vladan Jankovic, Philip W.C. Hon en Luke A. Sweatlock van Northrop Grumman, ontwikkelde een nieuw materiaal om de temperatuur van de satelliet zelf te regelen. Het team van ingenieurs met expertise in optica, fotonica, en thermische engineering ontwikkelde een hybride structuur van silicium en vanadiumdioxide met een conisch ontwerp om de straling van het lichaam van de satelliet beter te beheersen. Het is als een getextureerde huid of coating.

Vanadiumdioxide functioneert als wat bekend staat als een "faseovergangs"-materiaal. Het werkt op twee verschillende manieren:als isolator bij lage temperaturen en als geleider bij hoge temperaturen. Dit beïnvloedt hoe het warmte uitstraalt. Bij meer dan 134 graden Fahrenheit (330 graden Kelvin), het straalt zoveel mogelijk warmte uit om de satelliet af te koelen. Bij ongeveer twee graden onder dit, het materiaal sluit de warmtestraling af om de satelliet op te warmen. De conische structuur van het materiaal (bijna als een stekelige huid) is onzichtbaar voor het menselijk oog met ongeveer de helft van de dikte van een enkel mensenhaar, maar heeft een duidelijk doel om de satelliet te helpen zijn straling zeer effectief in en uit te schakelen.

Resultaten

Het door USC en Northrop Grumman ontwikkelde hybride materiaal is twintig keer beter op temperatuur te houden dan alleen silicium. belangrijk, passieve regulering van de warmte en temperatuur van satellieten zou de levensduur van de satellieten kunnen verlengen door de noodzaak om stroom aan boord te verbruiken te verminderen.

Toepassingen op aarde

Naast gebruik op een satelliet, het materiaal zou ook op aarde kunnen worden gebruikt voor thermisch beheer. Het kan worden toegepast op een gebouw over een groot gebied om de temperatuur van een gebouw efficiënter te handhaven.

De studie, "Thermische homeostase met behulp van microgestructureerde faseovergangsmaterialen, " is gepubliceerd in optiek . Het onderzoek werd gefinancierd door Northrop Grumman en de National Science Foundation. Deze ontwikkeling maakt deel uit van een thematische onderzoeksinspanning tussen Northrop Grumman, NG Next Basic Research en USC bekend als het Northrop Grumman Institute of Optical Nanomaterials and Nanophotonics (NG-ION2).

De onderzoekers werken nu aan de ontwikkeling van het materiaal in de microfabricagefaciliteit van het USC en zullen waarschijnlijk profiteren van de nieuwe mogelijkheden in het onlangs toegewijde John D. O'Brien Nanofabrication Laboratory in het USC Michelson Center for Convergent Bioscience.