Een ultradonkere coating bestaande uit bijna onzichtbare shag-tapijtachtige strengen gemaakt van pure koolstof blijkt zeer veelzijdig te zijn voor alle soorten ruimtevaarttoepassingen.

Bij de meest recente toepassing van de koolstof-nanobuiscoating, optisch ingenieur John Hagopian, een aannemer bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en Goddard-wetenschapper Lucy Lim kweken een reeks minuscule, knopvormige bultjes van meerwandige nanobuisjes op een siliciumwafel.

De punten, die slechts 100 micron in diameter meten - ongeveer de grootte van een mensenhaar - zou dienen als de "munitie" -bron voor een mini-elektronensonde. Dit type instrument analyseert de chemische eigenschappen van gesteente en grond op luchtloze lichamen, zoals de maan of een asteroïde.

Hoewel de sonde zich nog in een vroeg stadium van technologische ontwikkeling bevindt, het toont belofte, zei Lim, die financiering gebruikt van NASA's Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations Program, beter bekend als PICASSO, om het concept vooruit te helpen.

Het nanotech-formaat elektronenkanon

Sleutel tot het instrument van Lim, natuurlijk, zijn de koolstof nanobuisjes, die uitstekende elektronenemitters zijn. Ontdekt in 1991, deze structuren vertonen ook een reeks nuttige elektronische, magnetische en mechanische eigenschappen.

Om deze zeer veelzijdige structuren te creëren, technici plaatsen een siliciumwafel of een ander substraat in een oven. Terwijl de oven opwarmt, ze baden het substraat met een koolstofvoedingsgas om de dunne coating van bijna onzichtbare haarachtige structuren te produceren.

Voor de elektronen-emitter, Hagopian en Lim gebruiken deze techniek om kleine, cirkelvormige stippen van koolstofnanobuisjes in een rasterpatroon dat de detectortak van Goddard heeft gevormd met behulp van fotolithografie. Boven en onder het raster van stippen bevinden zich siliciumdraden of -sporen en een raster dat twee verschillende spanningen produceert. Deze spanningen creëren een elektrisch veld dat de afgifte van elektronen activeert die zich in de koolstof-nanobuishobbels of bossen bevinden.

Onder het instrumentconcept van Lim, de elektronenbundels zouden dan door een stapel elektrostatische lenzen gaan om hun snelheid te versnellen en ze te helpen focussen op een buitenaards doelwit. Wanneer de elektronen het monster raken, het bombardement zou de elementen in het monster prikkelen, het produceren van röntgenstralen die een spectrometer vervolgens zou analyseren om de chemische samenstelling van het monster te identificeren.

Aanzienlijke verbeteringen verwacht

Hoewel NASA andere instrumenten heeft gevlogen die monsters analyseren met behulp van röntgenstralen, Het concept van Lim en haar gebruik van koolstofnanobuisjes zouden aanzienlijke verbeteringen kunnen bieden.

Wat anders is aan haar op koolstof nanobuisjes gebaseerde elektronenveldemitter, is de kleine omvang en het feit dat hij volledig adresseerbaar is. "We zouden kunnen kiezen welke hobbel we willen activeren, " zei Lim. "We zouden verschillende plekken op het monster afzonderlijk kunnen analyseren."

In tegenstelling tot, als het instrument slechts één elektronenbron had, het kon slechts één deel van het monster analyseren, zei Lim. "We willen compositiekaarten verkrijgen, " voegde ze eraan toe. "Zonder de adresseerbare zender, we ontdekken misschien niet alle mineralen in een monster, hoe groot ze zijn, of hun relatie met elkaar."

Bij het testen, Lim heeft aangetoond dat de hobbels genoeg elektronen uitzenden om een ​​monster te exciteren. Verder, Hagopiaans, die in 2014 een paar coatingmonsters op het internationale ruimtestation vloog, heeft bewezen dat de technologie een excursie naar de ruimte kan overleven.

Het team, waaronder ook Larry Hess met Goddard's Detector Branch, nadert de technische uitdagingen en weet dat de nanotechnologie werkt zoals bedoeld. Echter, obstakels blijven, zei Hagopian, de oprichter van de Lanham, Op Maryland gebaseerde geavanceerde nanofotonica. Het op nanobuisjes gebaseerde raster in een klein pakketje verpakken en het vervolgens aansluiten op de elektronica van het instrument "is moeilijk, "Zei Hagopian. Echter, het team gelooft dat het de op nanobuisjes gebaseerde elektronensonde binnen een paar jaar kan demonstreren onder de door NASA gefinancierde onderzoeksinspanningen.

Straylight-onderdrukking

In een heel andere toepassing en een die misschien beter bekend is, Hagopian ontwikkelt coatings om strooilicht te absorberen dat instrumentcomponenten kan afketsen en uiteindelijk metingen kan vervuilen.

Bij het testen, coatings van koolstof-nanobuisjes hebben bewezen zeer effectief te zijn in het absorberen van 99,8 procent van het licht dat erop valt, en dat is de reden waarom ze erg zwart lijken. Wanneer licht het nanobuisbos binnendringt, kleine openingen tussen de buizen voorkomen dat het licht weerkaatst. Echter, deze gaten absorberen het licht niet. Het elektrische veld van het licht wekt elektronen op in de koolstofnanobuisjes, licht in warmte veranderen en het effectief absorberen, zei Hagopian.

Voor onderzoekers van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, Hagopian laat nanobuisjes met ingewikkelde patronen groeien op een component die het lichtpatroon verandert dat van de randen van telescoopstructuren is afgebogen met behulp van coronagrafische maskers. die sterrenlicht blokkeren, zei Hagopian. NASA's Small Business Innovative Research-programma heeft de inspanning gefinancierd.

Hij werkt ook samen met hoofdonderzoeker Antonio Mannino om een ​​coating te maken die zou voorkomen dat strooilicht de metingen verontreinigt die zijn verzameld door een nieuw instrument genaamd de Coastal Ocean Ecosystem Dynamics Imager, of COEDI. Deze hyperspectrale spectrometer is ontworpen om de kleur van de oceaan te volgen vanuit een geostationaire baan - metingen die wetenschappers en anderen zouden kunnen gebruiken om kustbronnen te beoordelen en te beheren.

"Ik begon twee jaar geleden met John [Hagopian] te werken toen ik tijdens het testen ontdekte dat strooilicht een probleem zou worden met COEDI, " zei Mannino, die zijn instrument ook ontwikkelt met NASA R&D-financiering. "We hebben hem gevraagd ons te helpen met het probleem. Ik denk dat hij het bijna gaat oplossen."