Grafeno

Um projeto da ESA com a Adamant Composites na Grécia testou como a adição de grafeno (e outros materiais de tamanho nanométrico) pode otimizar as propriedades térmicas e elétricas de um satélite.

O vácuo sem ar do espaço é um lugar onde um satélite pode ser quente e frio ao mesmo tempo, com parte dele na luz do sol e o resto na sombra. Os cientistas trabalham para minimizar os extremos de temperatura dentro do corpo de um satélite, porque o acúmulo de calor pode levar as peças a desalinharem ou até mesmo entortarem. Outro resultado indesejável em condições de vácuo altamente isolantes é que as superfícies dos satélites acumulam carga elétrica, o que pode eventualmente resultar em eventos de descarga disruptivos ou prejudiciais. Os materiais compostos estão suplantando cada vez mais as peças metálicas tradicionais a bordo dos satélites, mas esses materiais à base de polímeros possuem menor condutividade térmica e elétrica, agravando esses problemas.

Tradicionalmente, para evitar tais efeitos, os projetistas de missão inserem infraestrutura dedicada de condução de calor, como cintas e tubos de calor, enquanto tiras de aterramento de metal ao redor das regiões do satélite fornecem caminhos condutores.

Como estratégia complementar, a Adamant Composites, sediada na Grécia, supervisionou um projeto da ESA para adicionar grafeno e outros materiais 2D em uma base de 'habilitação nanométrica' aos materiais compósitos pré-impregnados usados ​​para fazer painéis de satélite, bem como os adesivos usados ​​para incorporar inserções para unir peças estruturais e/ou unir componentes eletrônicos a bordo.

O projeto contou com o apoio do General Support Technology Program (GSTP) da ESA, preparando tecnologias promissoras para o espaço e o mercado aberto, com testes realizados pelo Laboratório de Mecânica Aplicada da Universidade de Patras, a nível de materiais, e Beyond Gravity na Alemanha, realizando qualificação em nível de painel.

Athanasios Baltopoulos, Diretor Comercial da Adamant Composites explica: "A ideia tem sido empregar a nanotecnologia para modificar esses materiais compósitos estruturais para aumentar seu desempenho térmico e elétrico. Tínhamos comprovado o conceito de espaço em atividades anteriores."

Nicolas Blasakis, engenheiro de materiais e processos da Adamant Composites, acrescenta: "Já sabíamos que funcionaria em princípio, então este não foi um estudo fundamental. O escopo foi mais na direção de amadurecer os produtos e validar que eles podem funcionar no ambiente industrial adequado”.

O projeto começou por caracterizar a estabilidade dos materiais e processos envolvidos, para depois qualificar a componente espacial resultante – que envolveu demonstrações de hardware em ambientes mecânicos e térmicos representativos.

Dois painéis sanduíche de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) de 0,5 x 1 m foram fabricados para teste: um usando materiais convencionais e o outro equivalentes habilitados para nano. Com manequins de massa apropriados montados sobre eles e adaptadores de teste, ambos os painéis foram submetidos a vibração e ciclagem térmica simulando condições ambientais relevantes. Inspeções adicionais, como 'teste de martelo' e rastreamento a laser, foram realizadas para confirmar que atenderam aos requisitos estabelecidos.

Para revelar o benefício térmico do uso de materiais habilitados para nano, um modelo dedicado de engenharia de tamanho menor foi desenvolvido, onde parafusos personalizados foram usados ​​para injetar calor em inserções padrão dos painéis e estudar sua propagação sob vácuo e temperaturas ambientais variáveis. A tomografia de raios-X deu uma visão extra para a qualidade do envasamento, em termos de uniformidade do processo de aplicação do adesivo.

A adição de grafeno ao material adesivo aumentou sua condutividade elétrica em várias ordens de grandeza, triplicando sua condutividade térmica e mantendo seu desempenho estrutural. Paralelamente, o CFRP exibiu um aumento de 25% na condutividade térmica no compósito através da direção da espessura. No nível do painel, eles trazem supressão significativa nos diferenciais de temperatura, reduzindo os gradientes térmicos pela metade.

Dr. Baltopoulos explicou: "O mais importante alcançado é a confirmação de que a tecnologia funciona bem seguindo os passos para a industrialização, que pode suportar um projeto de volume real e que estamos prontos para ir além. Se fôssemos empregar esses nano -permitindo tecnologias para uma missão real, poderíamos permitir a redução de massa e melhor controle, removendo peças térmicas e eletricamente condutoras redundantes por meio do projeto."