Hvad er det nyeste inden for anvendte materialer til rummet? Hvad ville du f.eks. bruge til at lave en næste generation af rumdragt? Eller det rumfartøj, der bringer den til en exoplanet? For vores formåls skyld skal vi undgå det, der kommer over horisonten; ingen ønsker at læse om vaporware eller den slags dårligt gennemtænkte gimmick, der ser skinnende ud, men som ender med at slå folk ihjel. Her vil vi kun dække ting, der er i aktiv brug, eller som i det mindste er ved at blive beta-testet i marken.
Der findes et par forskellige klasser af teknologisk udvikling. I grove træk har de opskrifter, vi bruger til at fremstille nye materialer, udviklet sig sammen med fremstillingsmetoderne, og de ting, vi forsøger at gøre med vores materialer, er blevet langt mere ambitiøse. Vi løber stadig større risici, og vi er nødt til at nå et tilsvarende niveau af beherskelse af sammensætningen og ydeevnen af de materialer, vi bruger.
Der er også et par grundlæggende typer af materialer. Avancerede kompositter lægger lag sammen af separate materialer, mens legeringer smelter eller opløser ting sammen for at få et homogent slutprodukt.
Tænk på keramik. Den klassiske definition af en keramik er et oxid-, nitrid- eller karbidmateriale, der er ekstremt hårdt og skørt, hvilket vil sige, at det går i stykker, hvis man rammer det med et tilstrækkeligt stort fysisk stød. Keramiske materialer er ofte stærke under kompression, men svage under træk- og forskydningsspændinger. Men når keramiske materialer opvarmes, indtil de er lige så snorlige som spundet sukker, og derefter blæses gennem dyser til fibre, kan de derefter forarbejdes til bløde, fleksible stoffer som keramisk uld, silikatfilt og “flexiramics”. Disse materialer brænder simpelthen ikke, så de er nyttige, når der er brug for blød, stødabsorberende polstring, som også er brandhæmmende.
Glaskeramisk materiale er lidt mere kendt for de fleste af os, om end under et andet navn: Gorilla Glass, som man ofte ser i smartphones i dag. Det er et aluminosilikatglas, der er dannet ved at lade smeltet glas danne kerner omkring keramiske dopingpartikler, der kun er opløselige ved høje temperaturer. Når det afkøles, får man ifølge Corning en krystallinitet på mellem 50 og 99 %. Det resulterende materiale ligner meget lidt glas, bortset fra dets gennemsigtighed. Når det er hærdet, gør balancen mellem spænding og kompression det til et materiale, der er skidehårdt. Glaskeramisk glaskeramik spiller også godt sammen med elektrisk ledende belægninger, og ingeniører bruger denne egenskab på vinduer i rumfartøjer for at holde dem fri for kondensvand og is.
Materialekemi
Rumfartøjsvinduer er en fantastisk anvendelse af materialevidenskab. En måde at fremstille rumegnede vinduer på er smeltet siliciumdioxid, som er 100 % ren smeltet siliciumdioxid. Et andet vanvittigt vinduesmateriale er aluminiumoxynitrid, som faktisk er en gennemsigtig keramik, som vi bruger til at gøre ting skudsikre. I en video produceret af en producent af skudsikre produkter af aluminiumoxynitrid (se nedenfor) var 1,6 tommer AlON tilstrækkeligt til at stoppe en panserbrydende kaliber .50-kaliber-kugle fuldstændigt. AlON og smeltet silica starter begge som et fint pulver kaldet fritte, som stampes i en form og derefter bare bages ved de mest overjordiske temperaturer til et enkelt stykke gennemsigtigt, superhårdt materiale.
Medmindre man arbejder med 100 % rene stoffer, hvilket i mange tilfælde ikke er muligt, er tanken om doping central i alt dette. Doping betyder, at man tilføjer en knivspids af noget særligt til en ellers banal opskrift for at udnytte fordelene ved den særlige ting uden at skulle forholde sig til de fejl, den har, når den er ren. I mange tilfælde ender det, der er resultatet af doping, med at have meget lidt lighed med nogen af de to grundmaterialer.
Metallurgien er meget afhængig af doping, som i dette tilfælde kaldes legering. Der er nogle ret fantastiske ting, vi kan gøre med metaller. Aluminium-niobiumlegeringer har smeltetemperaturer, der er høje nok til at modstå det termiske miljø inde i Falcon 9’s motordyser. Men det er kun, fordi de også anvender regenerativ køling: Drivmidlet cirkulerer gennem kamre i dysevæggene, hvor klokken afkøles og drivmidlet varmes op. (Det er en varmepumpe.) Legeringer med guld og messing er nyttige, fordi de simpelthen ikke korroderer, uanset temperatur eller kemisk ekstremitet. Ligesom de antiklumpningstilsætningsstoffer i parmesanost findes der endda metallegeringer, der involverer silicium, blot fordi siliciumet får det smeltede metal til at flyde lettere og derfor er bedre egnet til komplekse støbninger.
Friktionssvejsning, som fysisk smelter de to materialer, der svejses sammen, så de bliver til én strukturel enhed, løser problemet med sammenføjning for nogle af SpaceX’ dele af aluminiumslegeringer.
Billedet er fra Nature.
Vi ser meget ny materialekemi i halvlederforskningen, og på det seneste er kontrollen med doteringsstoffet blevet fin nok til at indføre punktfejl på et enkelt atom i et diamantgitter. Denne fremstillingspræcision er også afgørende for de såkaldte “højentropiske” legeringer, som er hybridblandinger af fire, fem eller flere forskellige grundstoffer, der kan give enorme forbedringer i sejhed og gøre ting, der er fremstillet af dem, tyndere, lettere og mere holdbare. En metallurg fra MIT har fremstillet en stållignende legering med høj entropi, der både er ekstremt hård og meget duktil, hvilket er egenskaber, som jeg og alle andre troede udelukkede hinanden.
Det er naturligvis vigtigt at vælge dopingstoffet. Tantal og wolfram er hårde, tætte, strålingsresistente metaller, som blev rørt ind i titanen for at lave Junos “strålingshvælving”. Hvælvingen beskytter de sarte kredsløb i den videnskabelige nyttelast og ofrer sig selv til forsprødning, så elektronikken kan leve så længe som muligt.
Strålefarer kan afbødes med afskærmning – grundlæggende set ved at sætte atomer mellem din nyttelast og de højenergiladede partikler, der kan vende bits, ætse metaller og kortslutte forbindelser. Bly er det oplagte valg på jorden, men bly er ikke egnet til rumflyvning, fordi det er for blødt til at kunne modstå vibrationerne og for tungt til at være praktisk anvendeligt under alle omstændigheder. Det er derfor, at Junos strålingsboks hovedsagelig består af titanium; det er sejere end aluminium og lettere end stål.
Det er faktisk et stort problem at forsøge at finde ud af, hvordan vi kan holde elektronikken kørende så længe som muligt, mens den er i rummet. Man kan ikke lave et rumskib uden en computer i det. Og selv om vi bliver ved med at gøre kredsløb mindre og bliver ved med at reducere deres strømforbrug, er der på et vist punkt fysiske gulve af størrelse og strømforbrug. I nærheden af disse tærskler er det uhyre let at forstyrre et system. Stråleskader, termiske forskelle, elektriske kortslutninger og fysiske vibrationer udgør alle farer for elektroniske kredsløb. Spintronik kan bidrage til at udvikle computere og give en meget større båndbredde til brug for alt det, man skal gøre på en interstellar rejse. De kunne også sætte en hård grænse for de EM-risici, der er så skadelige for elektronikken i et intenst magnetfelt som det omkring Jupiter. Men indtil vi får optiske kredsløb eller spintronik til at blive virkelige, må vi finde ud af, hvordan vi får god gammel elektronik til at opføre sig i rummet, og det vil sandsynligvis indebære et godt gammelt Faraday-bur.
Kompositter
Kompositter er svære at producere, fordi de ofte kræver ekstremt specialiserede produktionsfaciliteter, store autoklaver og lignende. Men når de er gode, er de meget, meget gode.
Multi-layer insulation (MLI) er både termisk og elektrisk isolerende, og NASA bruger stoffet praktisk talt overalt, hvor de kan. MLI er det, der får rumfartøjer til at se ud som om, de er dækket af guldfolie. Men der findes en form for MLI til anvendelser, hvor hele molevitten også skal være elektrisk jordet, og den bruger et metalnet i stedet for det tyllignende tekstilnet mellem lagene af folie.
SpaceX bruger stive kompositmaterialer i deres køretøjskonstruktion, hvor kulfiber og metalbiderkamme lægges sammen for at skabe en struktur, der både er meget let og meget stærk. Skum og aerogeler kan også lave lette, stive, termisk uigennemtrængelige lag.
Efter bjærgningen så beklædningen fra Falcon 9 sådan her ud. Bemærk kulfiberindpakningen mellem den metalliske honeycomb.
Kompositter udmærker sig ved at modstå fysiske farer og stressfaktorer, men stive materialer er ikke den eneste vej at gå. Det oppustelige rumhab-modul BEAM, som jeg kærligt kalder en hoppeborg i en dåse, er fremstillet af fleksible kompositmaterialer, herunder et unikt glasvæv kaldet beta-stof. NASA og andre har brugt beta-stof og lignende ting siden slutningen af 90’erne, og det er der en god grund til: Stoffet er simpelthen umuligt at forstyrre. Det er lavet af PTFE-belagte glasfibre i et kurvevævet stof og er et kærlighedsbarn mellem glasfiber og teflon. Det er praktisk talt umuligt at skære eller endda ridse med de hårdeste og skarpeste knive. Fordi det er fleksibelt, er det modstandsdygtigt over for stød. Det er uigennemtrængeligt for korrosion, selv ved angreb fra frit atmosfærisk ilt. Forskere skød det med laser, og det var det, der endelig fik det til at begynde at nedbrydes.
I lighed med beta-dug er der også den fleksible Chromel-R-metaldug, som vi bruger i slidstærke lapper på rumfartøjers kroppe og rumdragter. Chromel-R er ligesom de vævede glasmåtter i beta-dug, men lavet af hårde, belagte metaltråde. Desuden fandt forskerne ud af, at det “fyldte Whipple-skjold”, som er en lagdelt konfekt af keramisk fiberdug og Kevlar, fungerede bedre end aluminiumplader til at stoppe keramiske kugler med hyperhastighed, der simulerer rumaffald – ved at smelte eller opløse kuglerne (PDF).
Rumdragter er faktisk den perfekte anvendelse for fleksible kompositmaterialer. Intet enkelt materiale er modstandsdygtigt over for alt. Men hvis man samler tynde lag af flere materialer, der hver især er modstandsdygtige over for de fleste ting, får man en ekso-dragt, der er modstandsdygtig over for alting, og som stadig kan bøje og bøje med bæreren. Tilsæt et lag Darlexx eller lignende, a la SpaceX’s næste generation af rumdragter, top det med et lag flexiramisk stof, og du har en brandsikker trykdragt. Læg et lag af ikke-Newtonsk væskepude og nogle traumeplader af keramisk legering i, og nu er det en brandsikker rustning. Det eneste, du så behøver, er et HUD i hjelmen og måske noget hukommelsesskum med høj tæthed i sædehynderne. Det er ting, vi kunne gøre bare med produkter, der er tilgængelige i dag.
Kig på vores ExtremeTech Explains-serie for at få mere dybdegående dækning af dagens hotteste teknologiske emner.
Topbillede: SpaceX Dragon V2 interior