In een reeks spannende experimenten, Cambridge-onderzoekers ervaarden gewichtloosheid die de toepassing van grafeen in de ruimte testte.

Werkend als onderdeel van een samenwerking tussen het Graphene Flagship en het European Space Agency, onderzoekers van het Cambridge Graphene Centre hebben voor het eerst grafeen getest in microzwaartekrachtomstandigheden.

Het potentieel van grafeen testen in koelsystemen voor satellieten, de onderzoekers ervoeren gewichtloosheid in een paraboolvlucht – ook wel de 'komeetkomeet' genoemd.

"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 professor Andrea Ferrari, Directeur van het Cambridge Graphene Centre.

Professor Ferrari is ook Science and Technology Officer en voorzitter van het Management Panel voor het Graphene Flagship.

Grafeen – de enkelvoudige dikke allotroop van koolstof – heeft een unieke combinatie van eigenschappen die het interessant maken voor toepassingen van flexibele elektronica en snelle datacommunicatie, tot verbeterde structurele materialen en waterbehandelingen. Het is zeer elektrisch en thermisch geleidend, maar ook sterk en flexibel.

In dit experiment, gehouden in november en december vorig jaar, de onderzoekers wilden de prestaties van koelsystemen die in satellieten worden gebruikt, verbeteren, gebruikmakend van de uitstekende thermische eigenschappen van grafeen.

"We gebruiken grafeen in zogenaamde loop-heat pipes. Dit zijn pompen die vloeistof verplaatsen zonder dat er mechanische onderdelen nodig zijn, dus er is geen slijtage, wat erg belangrijk is voor ruimtetoepassingen, ' zei professor Ferrari.

"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, " voegde Dr. Marco Molina toe. Dr. Molina is Chief Technical Officer van de Space-afdeling bij Leonardo, een industriële partner van het experiment.

In een loop-heatpipe, verdamping en condensatie van een vloeistof wordt gebruikt om warmte van hete elektronische systemen de ruimte in te transporteren. De druk van de verdampings-condensatiecyclus dwingt vloeistof door de gesloten systemen, zorgen voor continue koeling.

Het belangrijkste element van de loop-heat pipe is de metalen lont, waar de vloeistof verdampt tot gas. Bij deze experimenten de metalen lont was gecoat met grafeen, wat twee voordelen opleverde die de efficiëntie van de warmtepijp verbeteren. Ten eerste, De uitstekende thermische eigenschappen van grafeen verbeteren de warmteoverdracht van de hete systemen naar de pit. Ten tweede, de poreuze structuur van de grafeencoating verhoogt de interactie van de pit met de vloeistof, en verbetert de capillaire druk, wat betekent dat de vloeistof sneller door de pit kan stromen.

Na uitstekende resultaten in laboratoriumtests, de met grafeen gecoate wieken werden getest in ruimteachtige omstandigheden aan boord van een Zero-G parabolische vlucht. Om gewichtloosheid te creëren, het vliegtuig ondergaat een reeks parabolische manoeuvres, het creëren van tot 23 seconden gewichtloosheid bij elke manoeuvre.

"Het was echt een geweldige ervaring om gewichtloosheid te voelen, maar ook de hyperzwaartekrachtmomenten in het vliegtuig. Ik was erg opgewonden maar tegelijkertijd een beetje nerveus. Ik kon de nacht ervoor niet slapen, " zei dr. Yarjan Samad, een onderzoeksmedewerker in het Cambridge Graphene Centre.

In de vlucht, de met grafeen gecoate wieken tonen opnieuw uitstekende prestaties, met een efficiëntere warmte- en vloeistofoverdracht in vergelijking met de onbehandelde wieken. Op basis van deze veelbelovende resultaten, de onderzoekers blijven de coatings ontwikkelen en optimaliseren voor toepassingen in reële ruimteomstandigheden.

"De volgende stap zal zijn om te gaan werken aan een prototype dat zowel op een satelliet als op het ruimtestation kan gaan, ' zei professor Ferrari.