Vad är det senaste inom tillämpade material för rymden? Vad skulle du till exempel använda för att tillverka nästa generations rymddräkt? Eller den rymdfarkost som förde den till en exoplanet? För våra syften ska vi undvika det som kommer över horisonten; ingen vill läsa om vaporware, eller den typ av dåligt genomtänkt gimmick som ser glänsande ut men som slutar med att döda människor. Här kommer vi bara att ta upp saker som är i aktiv användning, eller åtminstone beta-testas på fältet.
Det finns några olika klasser av teknisk utveckling. I stort sett har de recept vi använder för att tillverka nya material samutvecklats med tillverkningsmetoderna, och de saker vi försöker göra med våra material har blivit mycket mer ambitiösa. Vi går till allt större faror, och vi måste nå en motsvarande nivå av behärskning av sammansättningen och prestandan hos de material vi använder.
Det finns också ett par grundläggande typer av material. Avancerade kompositer lägger lager på lager av separata material, medan legeringar smälter eller löser upp saker tillsammans för att få en homogen slutprodukt.
Tänk på keramik. Den klassiska definitionen av keramik är ett oxid-, nitrid- eller karbidmaterial som är extremt hårt och sprött, vilket innebär att det går sönder om man träffar det med en tillräckligt stor fysisk chock. Keramik är ofta stark vid kompression, men svag vid drag- och skjuvspänningar. Men när keramiska material värms upp tills de är lika trådiga som spunnet socker och sedan blåses genom munstycken till fibrer kan de bearbetas till mjuka, flexibla tyger som keramisk ull, kiselfilt och ”flexiramik”. Dessa material brinner helt enkelt inte, så de är användbara när man behöver en mjuk, stötdämpande stoppning som också är flamskyddad.
Glaskeramik är lite mer bekant för de flesta av oss, om än med ett annat namn: Gorilla Glass, som är vanligt förekommande i smartphones idag. Det är ett aluminosilikatglas som bildas genom att låta smält glas bilda en kärna runt keramiska dopningspartiklar som endast är lösliga vid höga temperaturer. När glaset svalnar får man en kristallinitet på mellan 50 och 99 procent, enligt Corning. Det resulterande materialet påminner mycket lite om glas, förutom att det är genomskinligt. När det härdas gör balansen mellan spänning och kompression att materialet blir jättehårt. Glaskeramiken fungerar också bra med elektriskt ledande beläggningar, och ingenjörer använder denna egenskap på rymdfarkosters fönster för att hålla dem fria från kondens och is.
Materialkemi
Rymdfarkostfönster är en fantastisk tillämpning av materialvetenskap. Ett sätt att tillverka rymddugliga fönster är smält kiseldioxid, som är 100 % ren smält kiseldioxid. Ett annat galet fönstermaterial är aluminiumoxynitrid, som faktiskt är en genomskinlig keramik som vi använder för att göra saker skottsäkra. I en video som producerades av en tillverkare av skottsäkra produkter av aluminiumoxynitrid (se nedan) räckte 1,6 tum av AlON för att helt stoppa en pansarbrytande .50-kaliberskott. AlON och smält kiseldioxid börjar båda som ett fint pulver som kallas fritta, som stampas in i en form och sedan bara bakas vid de mest överjordiska temperaturer till ett enda stycke genomskinligt, superhårt material.
Om man inte arbetar med 100 % rena ämnen, vilket i många fall inte är möjligt, är idén om dopning central i allt detta. Dopning innebär att man lägger till en nypa av något speciellt till ett annars vardagligt recept, för att dra nytta av den speciella sakens fördelar utan att behöva hantera de brister som den har när den är ren. I många fall slutar det som blir resultatet av dopning med att det inte har någon större likhet med något av sina ursprungsmaterial.
Metallurgin bygger mycket på dopning, som i det här fallet kallas för legering. Det finns en del ganska fantastiska saker som vi kan göra med metaller. Aluminium-niobiumlegeringar har smälttemperaturer som är tillräckligt höga för att klara den termiska miljön i Falcon 9:s motormunstycken. Men det beror bara på att de också använder regenerativ kylning: drivmedlet cirkulerar genom kamrarna i munstyckets väggar, vilket kyler klockan och värmer upp drivmedlet. (Det är en värmepump.) Legeringar med guld och mässing är användbara eftersom de helt enkelt inte korroderar, oavsett temperatur eller kemisk extremitet. Precis som de antiklumpförebyggande tillsatserna i parmesanost finns det till och med metalllegeringar som innehåller kisel, bara för att kiseln gör att den smälta metallen flyter lättare och därför lämpar sig bättre för komplexa gjutningar.
Friktionssvetsning, som fysiskt smälter samman de två material som ska svetsas så att de blir en enda strukturell enhet, löser problemet med sammanfogning av en del av SpaceX:s delar i aluminiumlegering.
Bildkredit: Nature.
Vi ser ofta ny materialkemi inom halvledarforskningen, och på senare tid har kontrollen över dopningsmedlet blivit tillräckligt fin för att införa punktfel på en atom i ett diamantgitter. Denna tillverkningsnoggrannhet är också avgörande för så kallade ”högentropiska” legeringar, som är hybridblandningar av fyra, fem eller fler olika grundämnen som kan ge enorma vinster i seghet och göra saker som tillverkas av dem tunnare, lättare och mer hållbara. En metallurg från MIT har gjort en stålliknande legering med hög entropi som är både extremt hård och mycket formbar, vilket är egenskaper som jag och alla andra trodde var ömsesidigt uteslutande.
Väljaktligen är valet av dopningsmedel viktigt. Tantal och volfram är hårda, täta, strålningsbeständiga metaller som rördes in i titan för att göra Junos ”strålningsvalv”. Valvet skyddar de känsliga kretsarna i den vetenskapliga nyttolasten och offrar sig själv för försprödning så att elektroniken kan leva så länge som möjligt.
Strålningsrisker kan minskas med hjälp av avskärmning – i princip genom att placera atomer mellan din nyttolast och de högenergiladdade partiklar som kan vända på bitar, korrodera metaller och kortsluta anslutningar. Bly är det självklara valet på jorden, men bly fungerar inte för rymdflygning, eftersom det är för mjukt för att tåla vibrationerna och för tungt för att vara praktiskt genomförbart i alla fall. Det är därför Junos strålningsvalv består mestadels av titan; det är tåligare än aluminium och lättare än stål.
Det är faktiskt ett stort problem att försöka ta reda på hur man ska hålla elektroniken igång så länge som möjligt när den befinner sig i rymden. Man kan inte göra ett rymdskepp utan en dator i det. Och även om vi fortsätter att göra kretsarna mindre och minska deras effektbehov finns det vid en viss punkt fysiska golv för storlek och effektförbrukning. Nära dessa trösklar är det oerhört lätt att störa ett system. Strålningsskador, termiska skillnader, elektriska kortslutningar och fysiska vibrationer utgör alla risker för elektroniska kretsar. Spintronik skulle kunna bidra till att utveckla datorerna genom att ge mycket större datorbandbredd som kan användas för att göra vad man än behöver göra på en interstellär resa. De skulle också kunna sätta en hård gräns för de EM-risker som är så skadliga för elektronik i ett intensivt magnetfält, som det som finns runt Jupiter. Men tills vi får optiska kretsar eller spintronik på riktigt måste vi ta reda på hur vi får bra gammal elektronik att uppföra sig i rymden, och det kommer förmodligen att innebära en bra gammal Faraday-bur.
Kompositer
Kompositer är svåra att tillverka eftersom de ofta kräver extremt specialiserade tillverkningsanläggningar, enorma autoklaver och liknande. Men när de är bra är de mycket, mycket bra.
Multilayer insulation (MLI) är både termiskt och elektriskt isolerande, och NASA använder materialet praktiskt taget överallt där de kan. MLI är det som får rymdfarkoster att se ut som om de är täckta med guldfolie. Men det finns en typ av MLI för tillämpningar där hela skiten måste vara elektriskt jordad också, och den använder ett metallnät i stället för det tyllliknande textilnätet mellan sina lager av folie.
SpaceX använder sig av styva kompositmaterial i sin fordonskonstruktion, där man lägger kolfiber och metallhoneycombs i lager för att åstadkomma en struktur som är både mycket lätt och mycket stark. Skum och aerogeler kan också ge lätta, styva, termiskt ogenomträngliga lager.
Efter hämtning såg den här manteln från Falcon 9 ut. Observera kolfiberomslaget som omsluter den metalliska honeycomb.
Kompositer utmärker sig mot fysiska risker och påfrestningar, men styva material är inte det enda sättet att gå till väga. Den uppblåsbara rymdmodulen BEAM, som jag kärleksfullt kallar ett hoppborg i en burk, är tillverkad av flexibla kompositmaterial, inklusive ett unikt glasväv som kallas betatyg. NASA och andra har använt betatyg och liknande material sedan slutet av 90-talet, och det på goda grunder: Det är helt enkelt omöjligt att få bort det. Det består av PTFE-belagda glasfibrer i ett korgvävstyg och är ett barn av glasfiber och teflon. Det är praktiskt taget omöjligt att skära eller ens skrapa med de hårdaste och vassaste knivarna. Eftersom den är flexibel är den slagtålig. Den är okänslig för korrosion, även om den utsätts för fritt syre i atmosfären. Forskare sköt den med laser och det var det som slutligen fick den att börja försämras.
I likhet med betatyg finns också det flexibla metallduken Chromel-R, som vi använder i nötningsbeständiga plåster på rymdfarkoster och rymddräkter. Chromel-R liknar de vävda glasmattorna i betatyg, men är tillverkad av hårda, belagda metalltrådar. Dessutom fann forskarna att den ”fyllda Whipple-skölden”, som är en skiktad konfekt av keramikfiberduk och Kevlar, fungerade bättre än aluminiumplätering för att stoppa keramiska kulor med hög hastighet som simulerar rymdskrot – genom att smälta eller sönderdela kulorna (PDF).
Rymddräkter är faktiskt det perfekta användningsområdet för flexibla kompositmaterial. Inget enskilt material är motståndskraftigt mot allt. Men om man lägger ihop tunna lager av flera material som vart och ett är motståndskraftigt mot det mesta får man en alltingssäker exo-dräkt som fortfarande kan böja sig och böja sig med bäraren. Lägg till ett lager Darlexx eller liknande, som SpaceX:s nästa generations rymddräkter, lägg till ett lager flexiramiskt tyg och du har en brandsäker tryckdräkt. Lägg till ett lager dämpning av icke-newtonsk vätska och några traumaplattor av keramiklegering där också, och nu är det ett brandsäkert kroppsskydd. Allt du behöver är en HUD i hjälmen och kanske lite minnesskum med hög densitet i sätesdynorna. Det här är saker som vi skulle kunna göra bara med produkter som finns tillgängliga idag.
Kolla in vår serie ExtremeTech Explains för mer djupgående rapportering om dagens hetaste tekniska ämnen.
Top image credit: SpaceX Dragon V2 interior