In een succesvolle samenwerking tussen het Graphene Flagship en de European Space Agency, experimenten die grafeen testen voor twee verschillende ruimtegerelateerde toepassingen hebben veelbelovende resultaten opgeleverd. Op basis van deze resultaten, het vlaggenschip gaat door met het ontwikkelen van grafeenapparaten voor gebruik in de ruimte.

"Grafeen zoals we weten heeft veel kansen. Een van hen, vroeg herkend, zijn ruimtetoepassingen, en dit is de eerste keer dat grafeen is getest in ruimteachtige toepassingen, wereldwijd, " zei prof. Andrea Ferrari (Universiteit van Cambridge, VK), Wetenschaps- en technologiefunctionaris van het vlaggenschip grafeen.

De uitstekende thermische eigenschappen van grafeen zijn veelbelovend voor het verbeteren van de prestaties van lus-warmtepijpen, thermische beheersystemen die worden gebruikt in ruimtevaart- en satelliettoepassingen. Grafeen kan ook worden gebruikt bij de voortstuwing van de ruimte, vanwege zijn lichtheid en sterke interactie met licht. Het Graphene Flagship heeft beide toepassingen getest in recente experimenten in november en december 2017.

Het belangrijkste element van de loop heat pipe is de metalen lont, waar warmte wordt overgedragen van een heet voorwerp in een vloeistof, die het systeem koelt. Twee verschillende soorten grafeen werden getest in een samenwerking tussen het Microgravity Research Centre, Université libre de Bruxelles, België; het Cambridge grafeencentrum, Universiteit van Cambridge, VK; het Instituut voor Organische Synthese en Fotoreactiviteit en het Instituut voor Micro-elektronica en Microsystemen, zowel bij de Nationale Onderzoeksraad van Italië (CNR), Italië; en industriepartner Leonardo Spa, Italië, een wereldleider op het gebied van lucht- en ruimtevaart, actief in ruimtesystemen en de fabricage van hightech-instrumenten en in het beheer van lancerings- en in-orbit-diensten en satellietdiensten.

"We streven naar een langere levensduur en een verbeterde autonomie van de satellieten en ruimtesondes. Door grafeen toe te voegen, we zullen een betrouwbaardere lus-warmtepijp hebben, in staat om autonoom in de ruimte te opereren, " zei dr. Marco Molina, Chief Technical Officer van Leonardo's ruimtevaartbedrijf.

Na uitstekende resultaten in laboratoriumtests, de lonten voor de loop heatpipes werden getest in twee paraboolvluchtcampagnes van ESA in november en december. "We hebben goede tests gedaan op aarde in het laboratorium, en nu natuurlijk omdat de toepassingen in satellieten zullen zijn, we moesten zien hoe de lonten presteren bij lage zwaartekracht en ook bij hyperzwaartekracht, om een ​​satellietlancering te simuleren, ", voegde prof. Ferrari eraan toe.

"Het was geweldig, het gevoel is ongelooflijk en het is buitengewoon interessant om experimenten te doen in dit soort omstandigheden, maar ook om te genieten van de vrij zwevende zone. De hele ervaring was echt geweldig, " zei Vanja Miskovic, een student aan de Université libre de Bruxelles die het experiment uitvoerde in microzwaartekracht tijdens een parabolische vlucht uitgevoerd door Novespace.

De resultaten van de parabolische vlucht bevestigen de verbeteringen aan de lont, en het vlaggenschip zal de op grafeen gebaseerde warmtepijpen blijven ontwikkelen tot een commercieel product. "Ik vind dit een heel mooi voorbeeld van hoe het Flagship werkt. Het samenbrengen van drie academische partners en één grote industrie met een duidelijk omschreven doel voor een applicatie, " zei Vincenzo Palermo (CNR), Vice-directeur van het Graphene Flagship. "Momenteel, we hebben het principe en de kern van het apparaat getest. De volgende stap zal zijn om het hele apparaat te optimaliseren, en een volledige warmtepijp hebben die in een satelliet kan gaan."

Ruimtevoortstuwingspotentieel van grafeen testen, een team van promovendi van de Technische Universiteit Delft (TU Delft), Nederland heeft deelgenomen aan ESA's Drop Your Thesis! campagne, die studenten de kans biedt om een ​​experiment in microzwaartekracht uit te voeren bij de ZARM Drop Tower in Bremen, Duitsland. Om extreme microzwaartekrachtomstandigheden te creëren, tot een miljoenste van de zwaartekracht van de aarde, een capsule met het experiment wordt op en neer gekatapulteerd door de 146 meter hoge toren, wat leidt tot 9,3 seconden gewichtloosheid. Het TU Delft Space Institute, Nederland, verleende ook ondersteuning aan het GrapheneX-project.

Het team - genaamd GrapheneX - ontwierp en bouwde een experiment om grafeen te testen voor gebruik in zonnezeilen, met behulp van vrij zwevende grafeenmembranen geleverd door Flagship-partner Graphenea. Het idee was om te testen hoe de grafeenmembranen zich zouden gedragen onder stralingsdruk van lasers. In totaal, het experiment is op 13-17 november 2017 vijf keer uitgevoerd.

"Ons experiment is als een complex 'uurwerk' waarbij elk onderdeel naadloos op het juiste moment moet aflopen", zegt Rocco Gaudenzi, een lid van het GrapheneX-team. "Het komt niet vaak voor dat je zo'n uurwerk helemaal opnieuw moet opbouwen, en je kunt het niet in echte omstandigheden testen, maar tijdens de lancering zelf."

Het team heeft hard gewerkt om het experiment te laten slagen. "Ondanks de aanvankelijke technische problemen, we wisten snel wat er aan de hand was, los de problemen op en kom weer op het goede spoor. We zijn erg blij met de resultaten van het experiment, aangezien we laser-geïnduceerde beweging van een grafeenlichtzeil hebben waargenomen, en het allerbelangrijkste:we hadden een geweldige ervaring!" zei Davide Stefani, GrapheneX-teamlid.

Santiago J. Cartamil-Bueno, GrapheneX teamleider, gaf aan dat zowel de ervaring als de resultaten waardevol waren voor het team. "De belangrijkste les is dat er altijd iets zal gebeuren, en je moet klaar zijn om je aan te passen of te veranderen, "zei hij. "Ik denk aan het eind van de dag, het gaat om de ervaring; je hoeft alleen maar nieuwe uitdagingen te creëren en ervan te leren, en wees klaar om meer ervaring op te doen en naar het volgende niveau te gaan."

Hoewel het GrapheneX-experiment nu is voltooid, het team overweegt verdere tests als onderdeel van een nieuw en ambitieus onderzoeksproject, om de invloed van stralingsdruk op grafeenlichtzeilen verder te onderzoeken.

De resultaten van de twee projecten demonstreren de veelzijdigheid van grafeen en zijn de eerste stap naar het verleggen van de grenzen van grafeenonderzoek.