In una proficua collaborazione tra la Graphene Flagship e l'Agenzia Spaziale Europea, gli esperimenti che testano il grafene per due diverse applicazioni spaziali hanno mostrato risultati estremamente promettenti. Sulla base di questi risultati, l'ammiraglia sta continuando a sviluppare dispositivi al grafene per l'uso nello spazio.

"Il grafene, come sappiamo, ha molte opportunità. Una di queste, riconosciuto in anticipo, è applicazioni spaziali, e questa è la prima volta che il grafene è stato testato in applicazioni simili allo spazio, In tutto il mondo, " ha affermato il Prof. Andrea Ferrari (Università di Cambridge, UK), Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene.

Le eccellenti proprietà termiche del grafene sono promettenti per migliorare le prestazioni dei tubi di calore ad anello, sistemi di gestione termica utilizzati nelle applicazioni aerospaziali e satellitari. Il grafene potrebbe anche avere un uso nella propulsione spaziale, per la sua leggerezza e forte interazione con la luce. La Graphene Flagship ha testato entrambe queste applicazioni in recenti esperimenti a novembre e dicembre 2017.

L'elemento principale del tubo di calore ad anello è lo stoppino metallico, dove il calore viene trasferito da un oggetto caldo in un fluido, che raffredda il sistema. Due diversi tipi di grafene sono stati testati in una collaborazione tra il Microgravity Research Centre, Università libera di Bruxelles, Belgio; il Cambridge Graphene Centre, Università di Cambridge, UK; l'Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività e l'Istituto per la microelettronica e i microsistemi, sia presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Italia; e partner industriale Leonardo Spa, Italia, leader mondiale nel settore aerospaziale, operante nei sistemi spaziali e nella produzione di strumenti ad alta tecnologia e nella gestione dei servizi di lancio e in orbita e dei servizi satellitari.

"Miriamo a una maggiore durata e a una migliore autonomia dei satelliti e delle sonde spaziali. Aggiungendo il grafene, avremo un tubo di calore ad anello più affidabile, in grado di operare autonomamente nello spazio, " ha detto il dottor Marco Molina, Chief Technical Officer della linea di business spaziale di Leonardo.

Dopo ottimi risultati nei test di laboratorio, gli stoppini per i tubi di calore ad anello sono stati testati in due campagne di volo parabolico dell'ESA a novembre e dicembre. "Abbiamo fatto dei buoni test sulla terra in laboratorio, e ora ovviamente perché le applicazioni saranno nei satelliti, avevamo bisogno di vedere come si comportano gli stoppini in condizioni di bassa gravità e anche in condizioni di ipergravità, per simulare un lancio satellitare, " ha aggiunto il prof Ferrari.

"È stato stupefacente, la sensazione è incredibile ed è estremamente interessante fare esperimenti in questo tipo di condizioni ma anche godersi la zona di galleggiamento libero. L'intera esperienza è stata davvero fantastica, " ha detto Vanja Miskovic, uno studente dell'Université libre de Bruxelles che ha eseguito l'esperimento in microgravità durante un volo parabolico operato da Novespace.

I risultati del volo parabolico confermano i miglioramenti allo stoppino, e la Flagship continuerà a sviluppare i tubi di calore a base di grafene verso un prodotto commerciale. "Penso che questo sia un ottimo esempio di come funziona il Flagship. Riunendo tre partner accademici e una grande industria con un obiettivo chiaramente definito per un'applicazione, " ha detto Vincenzo Palermo (CNR), Vicedirettore dell'ammiraglia Graphene. "Al momento, abbiamo testato il principio e il nucleo del dispositivo. Il prossimo passo sarà quello di ottimizzare l'intero dispositivo, e avere un tubo di calore pieno che può andare in un satellite."

Testare il potenziale di propulsione spaziale del grafene, un team di dottorandi della Delft Technical University (TU Delft), I Paesi Bassi hanno partecipato all'ESA Drop Your Thesis! campagna, che offre agli studenti la possibilità di eseguire un esperimento in microgravità presso la ZARM Drop Tower di Brema, Germania. Per creare condizioni di microgravità estreme, fino a un milionesimo della forza gravitazionale terrestre, una capsula contenente l'esperimento viene catapultata su e giù per la torre di 146 metri, portando a 9,3 secondi di assenza di gravità. Il TU Delft Space Institute, Olanda, ha anche fornito supporto al progetto GrapheneX.

Il team, chiamato GrapheneX, ha progettato e realizzato un esperimento per testare il grafene da utilizzare nelle vele solari, utilizzando membrane di grafene flottanti fornite dal partner Flagship Graphenea. L'idea era di testare come si sarebbero comportate le membrane di grafene sotto la pressione delle radiazioni dei laser. In totale, l'esperimento è stato eseguito cinque volte dal 13 al 17 novembre 2017.

"Il nostro esperimento è come un complesso 'orologio' in cui ogni componente deve funzionare perfettamente al momento giusto", ha affermato Rocco Gaudenzi, un membro del team GrapheneX. "Non capita spesso di dover costruire un orologio del genere da zero, e non puoi testarlo in condizioni reali ma durante il lancio stesso."

Il team ha lavorato duramente per rendere l'esperimento di successo. "Nonostante le difficoltà tecniche iniziali, siamo riusciti a capire rapidamente cosa stava succedendo, risolvere i problemi e tornare in pista. Siamo molto soddisfatti dei risultati dell'esperimento poiché abbiamo osservato il movimento indotto dal laser di una vela leggera di grafene, e, soprattutto, abbiamo avuto una grande esperienza!" ha detto Davide Stefani, Membro del team GrapheneX.

Santiago J. Cartamil-Bueno, Capo squadra GrapheneX, ha espresso che sia l'esperienza che i risultati sono stati preziosi per la squadra. "La lezione più importante è che succederà sempre qualcosa, e devi essere pronto ad adattarti o a cambiare, " ha detto. "Penso che alla fine della giornata, si tratta dell'esperienza; devi solo creare nuove sfide e imparare da esse, ed essere pronto ad acquisire più esperienza e passare al livello successivo."

Sebbene l'esperimento GrapheneX sia terminato, il team sta valutando ulteriori test come parte di un nuovo e ambizioso progetto di ricerca, per continuare a esplorare l'influenza della pressione delle radiazioni sulle vele leggere di grafene.

I risultati dei due progetti dimostrano la versatilità del grafene e sono il primo passo verso l'espansione delle frontiere della ricerca sul grafene.