Pensi che mantenere il caffè caldo sia importante? Prova i satelliti. Se la temperatura di un satellite non viene mantenuta entro il suo intervallo ottimale, le sue prestazioni possono risentirne, il che potrebbe significare che potrebbe essere più difficile tenere traccia di incendi o altri disastri naturali, le tue mappe di Google potrebbero non funzionare e la tua abbuffata di Netflix potrebbe essere interrotta. Ciò potrebbe essere evitato con un nuovo materiale recentemente sviluppato dagli ingegneri della USC Viterbi School of Engineering.
Quando i satelliti viaggiano dietro la Terra, la Terra può impedire ai raggi del sole di raggiungere i satelliti, raffreddandoli. Nello spazio, un satellite può affrontare variazioni di temperatura estreme fino a 190-260 gradi Fahrenheit. È stata a lungo una sfida per gli ingegneri impedire che le temperature dei satelliti fluttuassero selvaggiamente. I satelliti hanno convenzionalmente utilizzato uno dei due meccanismi:"tapparelle" fisiche o tubi di calore per regolare il calore. Entrambe le soluzioni possono esaurire le riserve di potenza di bordo. Anche con l'energia solare, l'uscita è limitata. Per di più, entrambe le soluzioni aggiungono massa, peso e complessità progettuale ai satelliti, che sono già piuttosto costosi da lanciare.
Prendendo spunto da esseri umani che hanno un sistema autonomo per gestire la temperatura interna attraverso l'omeostasi, un team di ricercatori tra cui Michelle L. Povinelli, un Professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica Ming Hsieh presso la USC Viterbi School of Engineering, e gli studenti della USC Viterbi Shao-Hua Wu e Mingkun Chen, insieme a Michael T. Barako, Vladan Jankovic, Filippo W.C. Hon e Luke A. Sweatlock di Northrop Grumman, ha sviluppato un nuovo materiale per autoregolare la temperatura del satellite. Il team di ingegneri con esperienza in ottica, fotonica, e l'ingegneria termica ha sviluppato una struttura ibrida di silicio e biossido di vanadio con un design conico per controllare meglio la radiazione dal corpo del satellite. È come una pelle ruvida o un rivestimento.
Il biossido di vanadio funziona come un cosiddetto materiale a "cambiamento di fase". Agisce in due modi distinti:come isolante alle basse temperature e come conduttore alle alte temperature. Questo influenza il modo in cui irradia il calore. A oltre 134 gradi Fahrenheit (330 gradi Kelvin), irradia più calore possibile per raffreddare il satellite. A circa due gradi al di sotto di questo, il materiale spegne la radiazione termica per riscaldare il satellite. La struttura conica del materiale (quasi come una pelle spinosa) è invisibile all'occhio umano a circa la metà dello spessore di un singolo capello umano, ma ha lo scopo preciso di aiutare il satellite ad accendere e spegnere le sue radiazioni in modo molto efficace.
Risultati
Il materiale ibrido sviluppato da USC e Northrop Grumman è venti volte migliore nel mantenere la temperatura rispetto al solo silicio. È importante sottolineare che la regolazione passiva del calore e della temperatura dei satelliti potrebbe aumentare la durata della vita dei satelliti riducendo la necessità di consumare energia a bordo.
Applicazioni sulla Terra
Oltre all'uso su un satellite, il materiale potrebbe essere utilizzato anche sulla Terra per la gestione termica. Potrebbe essere applicato a un edificio su una vasta area per mantenere in modo più efficiente la temperatura di un edificio.
Lo studio, "Omeostasi termica utilizzando materiali a cambiamento di fase microstrutturati, " è pubblicato in ottica . La ricerca è stata finanziata da Northrop Grumman e dalla National Science Foundation. Questo sviluppo fa parte di uno sforzo di ricerca tematica tra Northrop Grumman, NG Next Basic Research e USC noto come Northrop Grumman Institute of Optical Nanomaterials and Nanophotonics (NG-ION2).
I ricercatori stanno ora lavorando allo sviluppo del materiale nell'impianto di microfabbricazione dell'USC e probabilmente trarranno beneficio dalle nuove capacità del laboratorio di nanofabbricazione John D. O'Brien recentemente dedicato all'USC Michelson Center for Convergent Bioscience.
