Er wordt gesproken over een buitengewoon goedkoop materiaal, licht genoeg om satellieten te beschermen tegen puin in de kou van de ruimte, samenhangend genoeg om de wanden van onder druk staande schepen te versterken die gemiddelde omstandigheden op aarde ondergaan en toch hittebestendig genoeg bij 1.500 graden Celsius of 2.732 graden Fahrenheit om instrumenten afschermen tegen rondvliegend puin, roept de vraag op:welk enkel materiaal zou dit allemaal kunnen doen?

Het antwoord, gevonden bij Sandia National Laboratories, is zo zoet als suiker.

Dat komt omdat het in feite suiker is - zeer dunne lagen banketbakkerssuiker van de kruidenier, verbrand tot een staat die carbon black wordt genoemd, afgewisseld tussen slechts iets dikkere lagen silica, het meest voorkomende materiaal op aarde, en gebakken. Het resultaat lijkt op een cake met fijne lagen, of beter gezegd, de organische en anorganische gelaagdheid van een zeeschelp, waarbij elke laag de volgende helpt om schokken in te dammen en te verminderen.

"Een materiaal dat een verscheidenheid aan beledigingen kan doorstaan ​​- mechanisch, schokken en röntgenstralen - kan worden gebruikt om zware omgevingsomstandigheden te weerstaan", zegt Sandia-onderzoeker Guangping Xu, die de ontwikkeling van de nieuwe coating leidde. "Dat materiaal was niet direct beschikbaar. We geloven dat onze gelaagde nanocomposiet, die de structuur van een zeeschelp nabootst, dat antwoord is."

Het belangrijkste is dat Xu zei:"De zelf-geassembleerde coating is niet alleen lichtgewicht en mechanisch sterk, maar ook thermisch stabiel genoeg om instrumenten in experimentele fusiemachines te beschermen tegen hun eigen gegenereerde puin, waar de temperatuur ongeveer 1500 C kan zijn. Dit was de eerste focus van het werk."

"En dat is misschien nog maar het begin", zegt consultant Rick Spielman, senior wetenschapper en hoogleraar natuurkunde aan het Laboratory for Laser Energetics aan de Universiteit van Rochester, die het aanvankelijke ontwerp van Sandia's Z-machine leidde, een van de bestemmingen waarvoor de nieuw materiaal is bedoeld. "Er zijn waarschijnlijk honderd toepassingen waar we niet aan hebben gedacht." Hij ziet mogelijke elektrodentoepassingen die de elektronenemissie aan het oppervlak vertragen in plaats van blokkeren.

Helpen bij de nucleaire overlevingsmissie

De coating, die zonder milieuproblemen op verschillende ondergronden kan worden aangebracht, was het onderwerp van een Sandia-patentaanvraag in juni 2021, een uitgenodigde lezing op een pulsed power-conferentie in december 2021 en opnieuw in een recent technisch artikel in MRS-vooruitgangen , waarvan Xu hoofdauteur is.

Het werk werd gedaan in afwachting van de verhoogde afscherming die nodig zal zijn om testobjecten, diagnostiek en drivers te beschermen in de krachtigere pulserende stroommachines van de toekomst. Sandia's pulserende Z-machine - momenteel de krachtigste producent van röntgenstraling op aarde - en zijn opvolgers zullen zeker nog meer bescherming tegen puin nodig hebben tegen krachten die vergelijkbaar zijn met talloze staven dynamiet die van dichtbij exploderen.

"De nieuwe afscherming zou een gunstige invloed moeten hebben op onze nucleaire overlevingsmissie", zei auteur van het artikel en Sandia-natuurkundige Chad McCoy. "Z is de helderste röntgenbron ter wereld, maar de hoeveelheid röntgenstraling is slechts een paar procent van de totale vrijgekomen energie. De rest is schokken en puin. Als we proberen te begrijpen hoe materie, zoals metalen en polymeren - interageert met röntgenstralen, we willen weten of vuil onze monsters beschadigt, de microstructuur heeft veranderd. Op dit moment bevinden we ons op de limiet waar we monstermaterialen kunnen beschermen tegen ongewenste beledigingen, maar krachtigere testmachines vereisen betere afscherming, en deze nieuwe technologie kan passende bescherming mogelijk maken."

Andere, minder gespecialiseerde toepassingen blijven mogelijk.

Het goedkope, milieuvriendelijke schild is licht genoeg om de ruimte in te vliegen als een beschermende laag op satellieten, omdat er relatief weinig materiaal nodig is om dezelfde veerkracht te bereiken als de zwaardere maar minder effectieve afscherming die momenteel wordt gebruikt om te beschermen tegen botsingen met ruimteafval. "Satellieten in de ruimte worden constant geraakt door puin dat met een paar kilometer per seconde beweegt, met dezelfde snelheid als puin van Z," zei McCoy. "Met deze coating kunnen we het puinschild dunner maken, waardoor het gewicht afneemt."

Dikkere schildcoatings zijn duurzaam genoeg om de wanden van onder druk staande vaten te versterken wanneer toegevoegde ounces geen probleem zijn.

Dramatische kostenverlaging verwacht

Volgens Guangping bedragen de materiaalkosten voor het vervaardigen van een coating met een diameter van 2 inch van het nieuwe beschermende materiaal, 45 miljoenste van een meter en micron dik, slechts 25 cent. Daarentegen kost een berylliumwafel - de beste match met de thermische en mechanische eigenschappen van de nieuwe coating, en in gebruik bij Sandia's Z-machine en andere fusielocaties als beschermende schilden - $ 700 tegen recente marktprijzen voor een 1-inch vierkant, 23 -micron dikke wafel, die 3.800 keer duurder is dan de nieuwe film met hetzelfde oppervlak en dezelfde dikte.

Beide coatings zijn bestand tegen temperaturen van ruim boven de 1.000 C, maar een andere overweging is dat de nieuwe coating milieuvriendelijk is. Alleen ethanol wordt toegevoegd om het coatingproces te vergemakkelijken. Beryllium creëert giftige omstandigheden en de omgeving ervan moet na gebruik van het gevaar worden ontdaan.

Hoe het testen verliep

Het principe van afwisselende organische en anorganische lagen, een belangrijke factor in de levensduur van zeeschelpen, is de sleutel tot het versterken van de Sandia-coating. De organische suikerlagen die worden verbrand tot roet, werken als een kit, zei Sandia-manager en papierauteur Hongyou Fan. Ze voorkomen ook dat scheuren zich door de anorganische silicastructuur verspreiden en zorgen voor dempingslagen om de mechanische sterkte te vergroten, zoals 20 jaar geleden werd gemeld in een eerdere poging van Sandia om de zeeschelpmodus na te bootsen.

Greg Frye-Mason, campagnemanager van Sandia voor de Assured Survivability and Agility with Pulsed Power, of ASAP, de missiecampagne voor onderzoek en ontwikkeling die het onderzoek financiert, had aanvankelijk zijn twijfels over het inbrengen van koolstof.

"Ik dacht dat de organische lagen de toepasbaarheid zouden beperken, aangezien de meeste degraderen bij 400 tot 500 C," zei hij.

Maar toen het carbonzwart-concept robuustheid vertoonde tot ruim boven de 1.000 C, overwon het positieve resultaat het grootste risico dat Frye-Mason zag voor het project.

Zeeschelpachtige coatings die aanvankelijk bij Sandia werden getest, varieerden van enkele tot 13 lagen. Deze afwisselende materialen werden tegen elkaar gedrukt nadat ze in paren waren verwarmd, zodat hun oppervlakken verknoopt werden. Tests toonden aan dat dergelijke verweven nanocomposietlagen van silica met de gebrande suiker, bekend als roet na pyrolyse, 80% sterker zijn dan silica zelf en thermisch stabiel tot naar schatting 1.650 C. Latere sinteringspogingen toonden aan dat lagen, zelf-geassembleerd door een spin -coatingproces, kon in batch worden gebakken en hun individuele oppervlakken nog steeds naar tevredenheid verknoopt, waardoor de saaiheid van het bakken van elke laag werd weggenomen. Het efficiëntere proces bereikte bijna dezelfde mechanische sterkte.

Onderzoek naar de coating was bedoeld om methoden te ontwikkelen om diagnostiek en testmonsters op Z en op de volgende generatie pulsed power-machines te beschermen tegen rondvliegend puin.

"Deze coating komt in aanmerking", zei Frye-Mason. + Verder verkennen

Spray-on coating could make solar panels snow-resistant