Grafeno

Un proyecto de la ESA con Adamant Composites en Grecia probó cómo la adición de grafeno (y otros materiales de tamaño nanométrico) puede optimizar las propiedades térmicas y eléctricas de un satélite.

El vacío sin aire del espacio es un lugar donde un satélite puede estar caliente y frío al mismo tiempo, con una parte a la luz del sol y el resto a la sombra. Los científicos trabajan para minimizar las temperaturas extremas dentro del cuerpo de un satélite, porque las acumulaciones de calor pueden provocar que las piezas se desalineen o incluso se doblen. Otro resultado indeseable en condiciones de vacío altamente aislante es que las superficies de los satélites acumulen carga eléctrica, lo que eventualmente puede resultar en eventos de descarga disruptivos o dañinos. Los materiales compuestos están reemplazando cada vez más a las piezas metálicas tradicionales a bordo de los satélites, pero estos materiales basados ​​en polímeros poseen una conductividad térmica y eléctrica más baja, lo que agrava estos problemas.

Tradicionalmente, para evitar tales efectos, los diseñadores de misiones insertan infraestructura conductora de calor dedicada, como correas y tuberías de calor, mientras que las tiras de conexión a tierra de metal alrededor de las regiones del satélite proporcionan rutas conductoras.

Como estrategia complementaria, Adamant Composites, con sede en Grecia, supervisó un proyecto de la ESA para agregar grafeno y otros materiales 2D sobre una base de 'nanohabilitación' a los materiales compuestos preimpregnados que se usan para hacer paneles satelitales, así como los adhesivos que se usan para incrustar insertos para unir partes estructurales y/o unir componentes electrónicos a bordo.

El proyecto contó con el apoyo del Programa de Tecnología de Soporte General (GSTP) de la ESA, preparando tecnologías prometedoras para el espacio y el mercado abierto, con pruebas realizadas por el Laboratorio de Mecánica Aplicada de la Universidad de Patras, a nivel de materiales, y Beyond Gravity en Alemania, realizando calificación de nivel de panel.

Athanasios Baltopoulos, director comercial de Adamant Composites explica: "La idea ha sido emplear la nanotecnología para modificar estos materiales compuestos estructurales para aumentar su rendimiento térmico y eléctrico. Habíamos probado el concepto de espacio en actividades anteriores".

Nicolas Blasakis, ingeniero de materiales y procesos de Adamant Composites, agrega: "Ya sabíamos que funcionaría en principio, por lo que este no fue un estudio fundamental. El alcance fue más en la dirección de madurar los productos y validar que puede funcionar en el ambiente industrial apropiado”.

El proyecto comenzó con la caracterización de la estabilidad de los materiales y los procesos involucrados, y luego calificó el componente espacial resultante, que involucró demostraciones de hardware en entornos mecánicos y térmicos representativos.

Se fabricaron dos paneles sándwich de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) de 0,5 x 1 m para las pruebas: uno con materiales convencionales y el otro con equivalentes nanohabilitados. Con maniquíes de masa apropiados montados sobre ellos y adaptadores de prueba, ambos paneles se sometieron a vibraciones y ciclos térmicos que simulaban las condiciones ambientales relevantes. Se realizaron inspecciones adicionales, como "pruebas de martillo" y seguimiento láser, para confirmar que cumplían con los requisitos establecidos.

Para revelar el beneficio térmico del uso de materiales habilitados con nanotecnología, se desarrolló un modelo de ingeniería dedicado de menor tamaño en el que se usaron tornillos personalizados para inyectar calor en las inserciones estándar de los paneles y para estudiar su propagación bajo vacío y temperaturas ambientales variables. La tomografía de rayos X brindó información adicional sobre la calidad del encapsulado, en términos de la uniformidad del proceso de aplicación del adhesivo.

La adición de grafeno al material adhesivo aumentó su conductividad eléctrica en varios órdenes de magnitud, al tiempo que triplicó su conductividad térmica y mantuvo su rendimiento estructural. Paralelamente, el CFRP exhibió un aumento del 25 % en la conductividad térmica en el material compuesto a través de la dirección del espesor. A nivel de panel, estos aportan una supresión significativa en los diferenciales de temperatura, reduciendo los gradientes térmicos a la mitad.

El Dr. Baltopoulos explicó: "Lo más importante que se logró es la confirmación de que la tecnología funciona bien siguiendo los pasos hacia la industrialización, que puede respaldar un proyecto de volumen real y que estamos listos para ir más allá. Si tuviéramos que emplear estos nano -Habilitando las tecnologías para una misión real, entonces podríamos permitir la reducción de masa y un mejor control, al eliminar las partes conductoras térmicas y eléctricas redundantes a través del diseño".

Los resultados también validan la capacidad de la empresa para fabricar paneles satelitales a partir de materiales convencionales y nanohabilitados, lo que representa una capacidad industrial novedosa para Grecia, que permitirá a Adamant Composites explorar la opción de participar en futuras misiones de satélites pequeños europeos y/o nacionales.

Como próximo paso, la compañía planea estudiar cómo los materiales nanohabilitadores podrían combinarse con elementos térmicos más típicos para mejorar el rendimiento, como radiadores y tubos de calor.

El responsable técnico de la ESA para el proyecto, Benoit Bonvoisin, comenta: "La idea de la nanohabilitación nos da la oportunidad de adaptar los materiales compuestos. Esto también suena prometedor para otras aplicaciones, como mejorar la 'desmisibilidad' segura de CFRP, asegurando que se quemarán hacia arriba durante el reingreso atmosférico para evitar cualquier peligro para las personas o la propiedad en el suelo".

"Colaborar con la ESA en este proyecto ha tenido numerosos beneficios", añade el Sr. Blasakis. "En términos de conocimiento del mercado, las misiones de la ESA representan clientes finales potenciales para estos desarrollos, por lo que hemos obtenido una perspectiva útil. Y, junto con el apoyo de nuestro oficial técnico de la ESA y sus compañeros ingenieros, también obtenemos acceso a algunos equipos especializados. para pruebas de materiales, según sea necesario.

"La guía de ESA significa que podemos conectarnos con la persona adecuada para responder nuestras preguntas, para averiguar cómo los procesos que estamos estableciendo están alineados con los requisitos de la industria, lo que ha resultado muy útil a lo largo de la evolución de una empresa joven como la nuestra".