Pilootprojekt tulevikumaterjalide uuringuteks kosmoses
Kosmos on äärmiselt vaenulik keskkond ja seda just materjalide jaoks, mis peavad seal satelliitidel mitmeid aastaid või lausa aastakümneid vastu pidama. See on tänapäeval suur väljakutse, sest madalal Maa orbiidil olev atomaarne hapnik ja kosmiline kiirgus mõjuvad laastavalt nii satelliidi konstruktsioonimaterjalidele, alamsüsteemidele kui ka elektroonikas olevatele nanomaterjalidele. Nii võibki kosmosetehnika lakata ootamatult töötamast
ja muutuda seeläbi kosmoseprügiks, mis ohustab teisi satelliite. Selle probleemi lahendamiseks peavad avalik- ja erasektor tegema tihedat koostööd, kus ehedaks näiteks ongi satelliidil ESTCube-2 läbiviidav materjalide uuringute pilootprojekt. Uuringu raames rakendatakse esmakordselt uudseid tehnoloogiaid, milles on ühendanud oma jõud süvatehnoloogia ettevõte Captain Corrosion OÜ ning Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi kiletehnoloogia labor.
Järgmise põlvkonna satelliidimoodul „Enterprise“
Tulevikumaterjalide uuringute pilootprojekt viiakse läbi selleks arendatud innovaatilisel satelliidimoodulil, mis ühildub kergesti paljude erinevate pardaarvutitega ja arendati välja Tartu Ülikooli hargettevõttes Captain Corrosion OÜ. ESTCube-2 satelliidil kasutatava mooduli mudel „Enterprise“ on suurusega 41 x 65 mm ja võimaldab kosmoses testida kokku kuni 15 erinevat materjali. Selleks kantakse uuritavad materjalid mooduli sensoraladele,
millele asetatakse seejärel avadega kattepaneel. Nende avade kaudu pääseb kosmoses atomaarse hapniku voog uuritava materjali pinnani, materjali korrosiooni on võimalik sensori abil tuvastada ning pardaarvutiga registreerida. Andmete kogumise tihedust saab kasutaja seejuures vajaduspõhiselt ise varieerida, mis võimaldab salvestada sensorite andmeid näiteks kord sekundis, kord orbiidi vältel või kord kuus.
Foto satelliidimooduli mudelist „Enterprise“, mida kasutatakse materjalide uuringuteks satelliidil ESTCube-2 . Foto: Maido Merisalu
Nanostruktuurne kate kosmose- ja lennutööstusele
Üheks moodulil testitavaks materjaliks on uudne patenteeritud nanostruktuurne kate, mis on töötatud välja alumiiniumist täppisdetailide funktsionaliseerimiseks kosmose- ja lennutööstuse rakenduste jaoks. Põhjalikud korrosioonitestid Tartu Ülikoolis ja Euroopa Kosmoseagentuuris näitasid, et kate tagab alumiiniumdetailidele suurepärase kaitse korrosiooni vastu nii maapealsetes kui ka kosmose rakendustes. Samuti on kate
piisavalt juhtiv, mis välistab laadumist kosmilise kiirguse toimel. Kuna tegu on keraamilise ja aluspinnaga tugevalt seotud kattega, siis on ta ka vastupidav kulumisele. See on eriti oluline külmkeevituse vältimiseks kosmoses, mis põhjustab liikuvate detailide kinni kiilumist. Antud nanostruktuurse katte puhul on tänaseks tegu praktiliselt rakendatava tehnoloogiaga kosmosetööstuses, mida on juba kasutatud ka teiste partnerite satelliididetailidel.
Joonis kosmose- ja lennutööstuse jaoks arendatud nanostruktuurse katte valmistamise protsessist, mida saab nüüd praktiliselt rakendada näiteks kommunikatsioonisatelliitide puhul. Joonis: Maido Merisalu
Tulevikumaterjal grafeen ja nanokiled elektroonikale
Teatavasti on satelliidi südameks pardaarvuti, mis juhib alamsüsteemide tööd. Kõik need seadmed sisaldavad nanomaterjale, mille hulka kuuluvad pooljuhid, dielektrikud ning juhid ja mida ohustavad kosmoses nii korrodeeriv atomaarne hapnik kui ka ioniseeriva toimega kosmiline kiirgus. Seetõttu on äärmiselt oluline teada mehhanisme, mis põhjustavad konkreetsete materjalide soovitud omaduste halvenemist kosmose tingimustes ja mille tulemusena lakkab seade lõpuks töötamast. Nanomaterjalide käitumist kosmoses ei ole aga põhjalikult uuritud ning see on eriti problemaatiline just kaasaegse ja järgmise põlvkonna elektroonika puhul, mis on võimsam
ja kompaktsem kui varasemad lahendused. Uute nanomaterjalide arendamisega elektroonikatööstusele on aastakümneid tegelenud Tartu Ülikooli füüsika Instituudi kiletehnoloogia labor, kus materjaliteadlased rakendavad kaasaegseid nanotehnoloogiaid ning karakteriseerimiseks vajalikku maailmatasemel teadusaparatuuri. Kiletehnoloogia labori materjaliteadlased otsustasid välise partnerina kaasa lüüa tulevikumaterjalide uuringute pilootprojektis, kus parasjagu otsiti huvilisi avalikust- ja erasektorist. Soovijad said oma uurimistöö sõna otseses mõttes uuele tasemele viia – kosmosesse.
Mooduli tundmaõppimiseks said materjaliteadlased esmalt kaasa grafeeni, mis on ühe aatomkihi paksune süsinikust tulevikumaterjal. Sellega ümberkäimiseks oli neil vajalik kogemus juba olemas ning grafeeni suurepärane ühilduvus antud mooduliga oli arendajatele teada. Edasi uurisid materjaliteadlased võimalusi, kuidas moodulile kosmosetestide tarbeks uudseid juhtivaid kilesid kanda. Kilede paksus on võrreldav näiteks SARS-CoV-2 viirusosakese läbimõõduga. Artikli avaldamise hetkeks on moodul koos peale kantud nanomaterjalidega juba edastatud ESTCube-2 meeskonnale, kes tegelevad selle integreerimisega satelliidi külge.
Illustratsioon ühe aatomkihi paksusest tulevikumaterjalist grafeen, mille korrosiooni kosmoses uuritakse. Illustratsioon: Maido Merisalu
Mida toob tulevik?
Tulevik toob uusi materjale ja tehnoloogiaid, mis muudavad kosmosetehnika töökindlamaks, kompaktsemaks ja kergemaks. Uued materjalid leevendavad kosmoseprügi probleemi ja võimaldavad kasutusele võtta uusi seni hõivamata orbiite, mis läbivad Van Alleni vöösid või on oluliselt madalamal kui 200 km. Juba praegu tegelevad materjaliteadlased koos erasektoriga saladusloori all järgmise põlvkonna kosmosetehnika arendamisega.
Foto satelliidiparve prototüüpidest, mis põhinevad tulevikumaterjalidel. Foto: Maido Merisalu
