Saranno studiati più di una dozzina di campioni di materiali diversi per valutare gli effetti dell'esposizione allo spazio, incluso questo polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP). Credito:Sean McNeil, GTRI
Per i prossimi sei mesi, un sistema di telecamere all'esterno della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) scatterà foto di più di una dozzina di campioni di materiale diverso, raccogliendo informazioni dettagliate che aiuteranno i ricercatori a determinare come e perché le dure condizioni di lo spazio influisce su questi materiali. Tra i problemi da studiare ci sono i cambiamenti di colore che possono indicare il degrado causato dall'esposizione all'ambiente nello spazio.
Un obiettivo chiave della ricerca sarà quello di correlare i cambiamenti di colore che si verificano sotto l'esposizione dell'orbitale terrestre basso (LEO) con le variazioni delle proprietà dei materiali, come la resistenza strutturale, la composizione chimica e la conduttività elettrica, per determinare come questi cambiamenti spettrali potrebbe consentire a scienziati e ingegneri di valutare visivamente il deterioramento. L'ambiente spaziale LEO espone i materiali agli effetti dannosi dell'ossigeno atomico, delle radiazioni ultraviolette e degli elettroni ad alta energia.
"Vogliamo sapere non solo in che modo lo spazio influisce sui materiali, ma anche perché ciò accade", ha affermato Elena Plis, ingegnere ricercatore senior presso il Georgia Tech Research Institute (GTRI) che guida il team di ricerca multi-organizzazione. "Ad esempio, sappiamo che un materiale di uso comune di DuPont, la pellicola di poliimmide Kapton, è soggetto a cambiamenti nella sua conduttività nello spazio, ma vogliamo sapere perché, come possiamo prevenirlo o come usarlo a nostro vantaggio ."
Fotografare regolarmente i materiali nelle gamme spettrali del visibile e dell'infrarosso fornirà una registrazione dinamica di ciò che accade con le proprietà ottiche nello spazio, migliorando la conoscenza che è stata spesso limitata alle misurazioni prima e dopo l'esposizione spaziale. Il team di ricerca analizzerà in modo approfondito i materiali restituiti sulla Terra per comprendere meglio come il degrado dello spazio possa influenzare altre proprietà dei materiali e utilizzerà queste informazioni per la pianificazione di missioni spaziali a lungo termine.
"Sono interessato alla dinamica dei danni causati ai materiali nello spazio", ha spiegato Plis. "Fino ad ora, abbiamo generalmente avuto solo due punti dati per valutare gli effetti dello spazio:i materiali incontaminati che lanciamo e gli effetti cumulativi che possiamo vedere quando i materiali vengono restituiti. L'unicità di questo esperimento sta nel permetterci di osservare il danni si verificano nel tempo."
Oltre a GTRI, il team di ricerca comprende ricercatori dell'Air Force Research Laboratory (AFRL), della NASA, dell'Università del Texas a El Paso e di DuPont, una società multiindustriale con sede a Wilmington, Del. Utilizzando l'esperimento Materials International Space Station ( MISSE) Flight Facility, la ricerca è supportata anche da Aegis Aerospace Inc., società proprietaria e gestisce la piattaforma MISSE installata sulla ISS.
L'analisi dei dati spettrali ottenuti dall'esperimento potrebbe anche consentire agli osservatori di determinare se un pezzo di spazzatura spaziale proviene da una coperta isolante leggera o da un circuito stampato più pesante che potrebbe danneggiare il veicolo spaziale in orbita. Oltre a fornire un nuovo modo per valutare la salute strutturale dei materiali da remoto e valutare i rischi dei detriti spaziali, l'esperimento aiuterà anche gli ingegneri a valutare nuovi materiali che potrebbero fornire ai progettisti di futuri veicoli spaziali nuove opzioni.
"Il film in poliimmide DuPont Kapton HN, ad esempio, è un materiale utilizzato sin dalle missioni Apollo, il che lo rende il gold standard", ha affermato Plis. "Ma ci sono molti altri materiali che possono offrire proprietà migliorate, quindi vedremo come alcuni esempi di questi sono influenzati dallo spazio."
Molti dei materiali studiati vengono utilizzati per proteggere i sistemi e gli equipaggi dei veicoli spaziali dagli effetti dei rapidi cambiamenti termici che si verificano in orbita e dagli effetti dannosi della carica elettrica. La selezione dei materiali MISSE-16 comprende diversi tipi di poliimmidi, polimeri a cristalli liquidi (LCP), silsesquiossano poliedrico oligomerico (POSS), polimeri rinforzati con fibra di vetro e carbonio e film in poliestere di polietilene tereftalato (PET).
I campioni sono stati installati all'esterno della ISS utilizzando un braccio robotico e verranno recuperati allo stesso modo in circa sei mesi. I campioni verranno posizionati su tre diverse facce della ISS per ricevere esposizioni preferenziali all'ossigeno atomico, alle radiazioni ultraviolette e agli elettroni ad alta energia. I campioni sono stati consegnati alla ISS da un veicolo spaziale cargo SpaceX Dragon lanciato il 16 luglio.
Per facilitare l'osservazione a lungo termine in orbita, il banco di prova MISSE è stato aggiornato con una telecamera e un sistema di illuminazione per coprire una gamma spettrale più ampia, compreso l'infrarosso, che è importante per osservare alcuni aspetti del degrado. L'hardware aggiornato rimarrà parte della strumentazione MISSE al termine dell'esperimento guidato da GTRI.
I campioni, che sono quadrati da un pollice, dovrebbero essere restituiti sulla Terra la prossima primavera. I materiali volati nello spazio saranno esaminati in dettaglio per comprenderne il degrado e confrontati con campioni identici sottoposti a condizioni spaziali simulate in laboratorio. In tutto, i campioni saranno sottoposti a 10 diverse tecniche di caratterizzazione, tra cui la microscopia a forza atomica, la caratterizzazione ottica della riflessione e dell'assorbimento e le misurazioni del trasferimento di carica elettrica.
"Cercheremo di collegare le proprietà ottiche con cambiamenti di superficie e cambiamenti chimici", ha affermato Plis. "Con i nostri esperimenti a terra, speriamo di comprendere questi cambiamenti e la fisica che si nasconde dietro di essi."
Per Plis, che dal 2015 studia gli effetti dell'esposizione spaziale sui materiali, vedere il lancio della ricerca nello spazio è stato il risultato di un processo di applicazione e sviluppo lungo anni.
"Per me, il lancio dei materiali è stato molto emozionante", ha detto. "È come un sogno diventato realtà inviare la mia ricerca nello spazio e ottenere dati dallo spazio. Questo è il mio primo progetto ad andare nello spazio e spero che ce ne saranno altri". + Esplora ulteriormente
