(PhysOrg.com) -- Zwart is zwart, Rechtsaf? Niet zo, volgens een team van NASA-ingenieurs dat nu een materiaal ontwikkelt dat zwarter is dan pek en dat wetenschappers zal helpen moeilijk te verkrijgen wetenschappelijke metingen te doen of momenteel onzichtbare astronomische objecten te observeren, zoals planeten ter grootte van de aarde in een baan rond andere sterren.

Het op nanotechnologie gebaseerde materiaal wordt nu ontwikkeld door een team van 10 technologen in het NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD, is een dunne coating van meerwandige koolstofnanobuisjes - kleine holle buisjes gemaakt van pure koolstof ongeveer 10, 000 keer dunner dan een lok mensenhaar. Nanobuisjes hebben een groot aantal mogelijke toepassingen, vooral in elektronica en geavanceerde materialen vanwege hun unieke elektrische eigenschappen en buitengewone sterkte. Maar in deze toepassing NASA is geïnteresseerd in het gebruik van de technologie om dwalend licht te onderdrukken dat op een grappige manier instrumentcomponenten afketst en metingen vervuilt.

Beter dan verf

"Dit is een technologie die veel terugverdient, " zei ingenieur Leroy Sparr, die de doeltreffendheid ervan beoordeelt op de Ocean Radiometer for Carbon Assessment (ORCA), een instrument van de volgende generatie dat is ontworpen om mariene fotosynthese te meten. "Het is ongeveer 10 keer beter dan zwarte verf" die doorgaans wordt gebruikt door ontwerpers van NASA-instrumenten om strooilicht te onderdrukken, hij zei.

De technologie werkt vanwege zijn superabsorptievermogen. De nanobuisjes zelf zijn verticaal verpakt, net als een hoogpolig tapijt. De kleine openingen tussen de buizen absorberen 99,5 procent van het licht dat erop valt. Met andere woorden, zeer weinig fotonen worden gereflecteerd door de koolstof-nanobuiscoating, wat betekent dat strooilicht niet van oppervlakken kan weerkaatsen en interfereren met het licht dat wetenschappers eigenlijk willen meten. Het menselijk oog ziet het materiaal als zwart omdat slechts een klein deel van het licht weerkaatst op het materiaal.

Het team begon in 2007 aan de technologie te werken. het in New York gevestigde Rensselaer Polytechnic Institute was ook een soortgelijke inspanning begonnen en kondigde in 2008 aan dat zijn onderzoekers het donkerste op koolstof nanobuisjes gebaseerde materiaal ooit hadden ontwikkeld - meer dan drie keer donkerder dan het vorige record.

"Ons materiaal is niet zo donker als dat van hen, " zei John Hagopian, de hoofdonderzoeker die het ontwikkelteam leidt. "Maar wat we aan het ontwikkelen zijn, is 10 keer zwarter dan de huidige NASA-verven die strooilicht van het systeem onderdrukken. Bovendien, het zal robuust zijn voor ruimtetoepassingen, " hij zei.

Dat is een belangrijk onderscheid, zei Carl Stahl, assistent-chef van technologie voor Goddard's Instrument Systems and Technology Division. Niet alle technologie kan in de ruimte worden gebruikt vanwege de barre omgevingsomstandigheden die zich daar voordoen. "Dat is de echte kracht van deze inspanning, " zei Stahle. "De groep vindt manieren om nieuwe technologie toe te passen en ermee op onze instrumenten te vliegen."

Grote doorbraak

De doorbraak was de ontdekking van een sterk hechtend onderlaagmateriaal waarop de koolstofnanobuisjes konden groeien, die slechts enkele tientallen nanometers in doorsnee zijn. Om koolstofnanobuizen te laten groeien, materiaalwetenschappers brengen doorgaans een katalysatorlaag van ijzer aan op een onderlaag op het siliciumsubstraat. Vervolgens verhitten ze het materiaal in een oven tot ongeveer 750 ° C (1, 382 ° F). Tijdens het verwarmen, het materiaal wordt gebaad in koolstofhoudend uitgangsgas.

Stephanie Getty, de materiaalwetenschapper van Hagopian's team, varieerde zowel de onderlaag als de dikte van de katalysatormaterialen om koolstofnanobuizen te creëren die niet alleen licht absorberen, maar blijven ook vast aan het materiaal waarop ze zijn gegroeid. Als resultaat, ze zijn duurzamer en hebben minder kans op krassen. Het team heeft ook duurzame nanobuiscoatings op titanium, een beter constructiemateriaal voor ruimtegebruik. Het team is nu bezig met het verfijnen van productietechnieken om een ​​consistente kwaliteit en lichtonderdrukking te garanderen. zei Hagopian.

New Capabilities Added

Should the team prove the material's suitability in space, the material would provide real benefits to instrument developers, Hagopian added.

Momenteel, instrument developers apply black paint to baffles and other components to reduce stray light. Because reflectance tests have shown the coating to be more effective than paint, instrument developers could grow the carbon nanotubes on the components themselves, thereby simplifying instrument designs because fewer baffles would be required. To accommodate larger components, the team now is installing a six-inch furnace to grow nanotubes on components measuring up to five inches in diameter. And under a NASA R&D award, the team also is developing a separate technique to create sheets of nanotubes that could be applied to larger, non-conforming surfaces.

In addition to simplifying instrument design, the technology would allow scientists to gather hard-to-obtain measurements because of limitations in existing light-suppression techniques or to gather information about objects in high-contrast areas, including planets in orbit around other stars, Hagopian said.

The ORCA team, which is fabricating and aligning an instrument prototype, is the first to actually apply and test the technology. The instrument is the front-runner for the proposed Aerosol/Cloud/Ecosystems (ACE) mission and requires robust light-suppression technologies because more than 90 percent of the light gathered by the instrument comes from the atmosphere. Daarom, the team is looking for a technique to suppress the light so that it doesn't contaminate the faint signal the team needs to retrieve.

"It's been an issue with all the (ocean sensors) we've flown so far, " said ORCA Principal Investigator Chuck McClain.

Working with the ORCA team, Hagopian's group grew the coating on a slit, the conduit through which all light will pass on ORCA. "Having an efficient absorber is critical and the nanotubes could provide the solution, " McClain said. "Right now, it looks promising, " Sparr added. "If I can support them and they can continue advancing the technology so that it can be applied to other spacecraft components, it could be a very important development for NASA."

Goddard Chief Technologist Peter Hughes agrees, and, in feite, selected Hagopian and his team to receive his organization’s 2010 "Innovator of the Year" award. "Our job is to develop and advance new technology that will ultimately result in better scientific measurements. Goddard has a well-deserved reputation for creating technologies that enhance instrument performance because we are adept at quickly infusing emerging technology for specific spaceflight applications. John’s team demonstrated that key strength. And in doing so, he’s leading the way in NASA’s quest to bring about a new level of scientific discovery, " Hughes said.