Een team van onderzoekers, waaronder de Universiteit van Southampton, nieuwe technologie hebben ontwikkeld die een significante verandering voor een ruimtevaartuig of satelliet zou kunnen veroorzaken.

Metamateriaal optische zonnereflectoren (meta-OSR's) zijn de coatings van het eerste oppervlak aan de buitenkant van een ruimtevaartuig, ontworpen om infrarode warmte effectief weg te stralen en het grootste deel van het optische zonnespectrum te reflecteren.

Voor een satelliet of ruimtevaartuig, de OSR's spelen een cruciale rol in de thermische regeling van het systeem. Gelijmd op de buitenhuid van de radiatorpanelen, OSR's zijn ontworpen om zonnestraling af te weren en de warmte die aan boord wordt gegenereerd af te voeren.

OSR's zijn meestal gemaakt van kwartstegels die thermo-optische eigenschappen combineren met het vermogen om de omgeving in de ruimte te weerstaan.

Echter, kwartstegels zijn zwaar en kwetsbaar, aanzienlijk bijdragen aan de montage- en lanceringskosten, en kan niet worden toegepast op gebogen oppervlakken. Andere commerciële oplossingen op basis van polymeerfolies lijden aan snelle achteruitgang van de prestaties en zijn daarom ongeschikt voor missies van meer dan drie tot vijf jaar.

Het team toonde aan dat een nieuwe meta-OSR-coating mogelijk wordt gemaakt door het gebruik van metaaloxide, een materiaal dat gewoonlijk wordt gebruikt voor transparante elektrische contacten, die, op dit moment, is gevormd tot een metamateriaal met een zeer sterke infraroodemissiviteit met behoud van een lage absorptie van het zonnespectrum.

Het team demonstreerde ook een 'slimme' radiator op basis van hun metamateriaalontwerp, waarmee de stralingskoeling van het ruimtevaartuig kan worden afgesteld met behulp van een ander type metaaloxide.

Prof Otto Muskens, van de Universiteit van Southampton en hoofdonderzoeker van de studie, zei:"De meta-OSR-technologie is volledig gebaseerd op duurzame en ruimtegoedgekeurde anorganische coatings, die kan worden aangebracht op flexibele dunnefilmstoffen met het potentieel om te worden ontwikkeld als een nieuwe technologische oplossing.

"Aangezien de montage- en lanceringskosten van OSR's enkele tienduizenden dollars per vierkante meter bedragen, zelfs kleine verbeteringen in gewichtsvermindering kunnen een significante verandering teweegbrengen in de ruimtevaartindustrie."

Ondersteund door een tweejarig Horizon 2020-ruimtetechnologieproject, de Universiteit van Southampton is lid van het META-REFLECTOR-consortium, waartoe ook het Italiaanse onderzoekscentrum Centro Ricerche Elettro-Ottiche (CREO) behoort, Deense nano-imprintontwikkelaar NIL Technology en Thales Alenia Space.

Het werk van het consortium is te zien in: ACS Fotonica in twee rapporten:'VO2 Thermochromic Metamaterial-Based Smart Optical Solar Reflector' en 'Metasurface optische zonnereflectoren met AZO transparante geleidende oxiden voor stralingskoeling van ruimtevaartuigen'.

Dr. Kai Sun van de Universiteit van Southampton voegde toe:"Alle partners hebben actief samengewerkt om ervoor te zorgen dat het ontwerp en de fabricage geschikt zijn voor de overdracht naar massaproductie. Het is een uitzonderlijke onderzoekservaring om het baanbrekende onderzoeksidee over te dragen tot een commercieel product."

Het team werkt momenteel aan het opschalen van de prototypes naar grotere gebieden door middel van processen die zijn ontwikkeld door NIL Technology, terwijl de eerste tests van de metamaterialen in de ruimte worden voorbereid.

Dr. Sandro Mengali, van CREO die de studie hebben ondersteund, zei:"Passieve controle van de thermische emissiviteit is belangrijk om kostbare warmte te behouden tijdens het opstarten en verduisteringen en om de temperatuurstabiliteit van het ruimtevaartuig te behouden.

"Momenteel, thermische emissiviteitsregeling vereist omvangrijke mechanische componenten zoals lamellen, die extreem duur en storingsgevoelig zijn, een aanzienlijk risico vormen voor missies.

"De slimme meta-OSR-technologie zal een waardevol nieuw hulpmiddel bieden voor thermische ingenieurs van ruimtevaartuigen, van bijzonder belang voor het lichtgewicht segment van de satellietmarkt."