Τα αεροτζέλ γραφενίου δείχνουν το μέλλον των διαστημικών ταξιδιών

Σύνοψη

• Νέα επιστημονικά δεδομένα επιβεβαιώνουν ότι τα αεροτζέλ γραφενίου μπορούν να προωθηθούν μέσω δέσμης laser σε συνθήκες μικροβαρύτητας.
• Κατά τη διάρκεια της 86ης καμπάνιας παραβολικών πτήσεων της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA), καταγράφηκαν ταχύτητες 1.7 m/s και επιτάχυνση άνω των 100 m/s².
• Η κίνηση του υλικού σε συνθήκες βαρύτητας της Γης (1g) αποδείχθηκε ελάχιστη (μόλις 0.06 m/s), αναδεικνύοντας τις δυνατότητες της τεχνολογίας για εφαρμογές αποκλειστικά στο κενό.
• Το μηδενικό βάρος καυσίμων ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία ελαφριών διαστημικών σκαφών (ιστία φωτός) που θα καθοδηγούνται από επίγεια ή τροχιακά συστήματα laser.

Η παραδοσιακή προώθηση στο Διάστημα βασίζεται μέχρι σήμερα στον περιοριστικό παράγοντα των χημικών καυσίμων. Η μάζα του καυσίμου αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό του βάρους ενός πυραύλου κατά την εκτόξευση, αυξάνοντας δραματικά το κόστος και περιορίζοντας την εμβέλεια των διαστημικών σκαφών. Ωστόσο, νέα πειραματικά δεδομένα έρχονται να επικυρώσουν με μετρήσιμα φυσικά μεγέθη τη βιωσιμότητα μιας εναλλακτικής μεθόδου: της προώθησης υπερελαφρών υλικών αποκλειστικά με τη χρήση φωτός. Η έρευνα εστιάζει στην εκμετάλλευση της πορώδους δομής του γραφενίου και θέτει συγκεκριμένα σημεία αναφοράς (benchmarks) για τη μετατροπή της οπτικής ενέργειας σε καθαρό μηχανικό έργο.

Πώς λειτουργεί η προώθηση γραφενίου με δέσμες laser;

Η προώθηση γραφενίου με laser επιτυγχάνεται μέσω της οπτικής διέγερσης του αεροτζέλ, το οποίο απορροφά την ενέργεια του φωτός και παράγει άμεση κινητική ώθηση χωρίς τη χρήση χημικής καύσης, εκμεταλλευόμενο τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στην υπερελαφριά και πορώδη δομή του υλικού στο κενό.

Τα συγκεκριμένα δίκτυα γραφενίου διακρίνονται για τη μηχανική τους αντοχή, η οποία συγκρίνεται με αυτή του χάλυβα, ενώ ταυτόχρονα διατηρούν μια σχεδόν ανύπαρκτη μάζα. Όταν μια στοχευμένη δέσμη laser προσκρούει στην επιφάνεια αυτού του υλικού, τα φωτόνια μεταφέρουν ορμή, ενώ ταυτόχρονα η υψηλή απορροφητικότητα του γραφενίου οδηγεί σε φωτοθερμικά φαινόμενα που μεγιστοποιούν την κινητική αντίδραση. Το αεροτζέλ συμπεριφέρεται ουσιαστικά ως ένα σφουγγάρι που αλληλεπιδρά με το φως. Ελλείψει ατμοσφαιρικής αντίστασης και μηχανικών τριβών, η ελάχιστη αυτή παραγωγή δύναμης μεταφράζεται σε συνεχή και αυξανόμενη επιτάχυνση.

Η 86η καμπάνια παραβολικών πτήσεων της ESA και οι πειραματικές επιδόσεις

Για να πιστοποιηθεί η συμπεριφορά του υλικού σε πραγματικές συνθήκες, η ερευνητική ομάδα προχώρησε σε εκτενείς δοκιμές κατά τη διάρκεια της 86ης καμπάνιας παραβολικών πτήσεων του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA). Ο πυρήνας του πειράματος απαιτούσε την απευθείας σύγκριση της συμπεριφοράς του υλικού σε συνθήκες μικροβαρύτητας έναντι της κανονικής βαρύτητας της επιφάνειας της Γης (1g).

Τα μετρήσιμα τεχνικά δεδομένα που προέκυψαν είναι ενδεικτικά των δυνατοτήτων της τεχνολογίας:

• Πυκνότητα υλικού: Τα αεροτζέλ γραφενίου που δοκιμάστηκαν διαθέτουν εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα, ίση με 0.01 g/cm³. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει στη φωτοεπαγόμενη δύναμη να παράγει σημαντική επιτάχυνση.
• Ταχύτητα και επιτάχυνση (μικροβαρύτητα): Υπό το καθεστώς έλλειψης βαρύτητας, η οπτική διέγερση προκάλεσε ταχύτατη μετάφραση της ενέργειας σε κίνηση. Τα δείγματα διέσχισαν απόσταση 50 mm σε μόλις 0.05 δευτερόλεπτα. Η μέγιστη ταχύτητα καταγράφηκε στα 1.7 m/s, με τις κορυφές της επιτάχυνσης να υπερβαίνουν τα 100 m/s².
• Αρχικός παλμός ώθησης: Η πρώτη μέτρηση δύναμης έδειξε αρχικό παλμό 0.6 mN στα πρώτα 0.03 δευτερόλεπτα της διέγερσης.
• Συμπεριφορά σε 1g (γήινη βαρύτητα): Σε περιβάλλον κανονικής βαρύτητας, η κίνηση καταπνίγηκε δραστικά από το ίδιο το βάρος του υλικού και τις δυνάμεις κανονικής τριβής. Η μέγιστη μετατόπιση περιορίστηκε περίπου στα 15 mm μετά από 0.16 δευτερόλεπτα, με το μέγιστο όριο ταχύτητας να μην ξεπερνά τα 0.06 m/s και τον παλμό ώθησης να φτάνει μόλις τα 11 µN.

Η προσέγγιση αυτή είναι ικανή να μειώσει εκθετικά το κόστος σχεδιασμού διαστημικών αποστολών, καθώς μικρότερα κράτη θα έχουν τη δυνατότητα στο άμεσο μέλλον να σχεδιάσουν στόλους από μικροσκοπικά διαστημικά σκάφη αναγνώρισης (nanocrafts), εξοπλισμένα με βασικούς αισθητήρες, τα οποία θα εκτοξεύονται από την τροχιά της Γης και θα επιταχύνονται συνεχόμενα από εγκαταστάσεις μεγάλων lasers. Η απουσία της ανάγκης για ενσωματωμένα καύσιμα εγγυάται ότι ο διαθέσιμος όγκος μπορεί να αφιερωθεί εξολοκλήρου στον επιστημονικό εξοπλισμό (ωφέλιμο φορτίο).

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!