Queste immagini, preso con un microscopio elettronico, mostrano i nanotubi modellati che funzionerebbero come emettitori di elettroni in un nuovo strumento ora in fase di sviluppo per analizzare campioni extraterrestri. L'immagine a destra è un primo piano di uno dei dossi. Credito:NASA
Un rivestimento ultra-scuro composto da fili quasi invisibili simili a un tappeto a pelo lungo in puro carbonio si sta dimostrando altamente versatile per tutti i tipi di applicazioni di volo spaziale.
Nella più recente applicazione del rivestimento in nanotubi di carbonio, ingegnere ottico John Hagopian, un appaltatore del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e la scienziata di Goddard Lucy Lim stanno sviluppando una serie di minuscoli, protuberanze a forma di bottone di nanotubi a parete multipla su un wafer di silicio.
I punti, che misurano solo 100 micron di diametro, all'incirca le dimensioni di un capello umano, servirebbero come fonte di "munizioni" per una mini sonda elettronica. Questo tipo di strumento analizza le proprietà chimiche delle rocce e del suolo su corpi senz'aria, come la Luna o un asteroide.
Sebbene la sonda sia ancora all'inizio del suo sviluppo tecnologico, sta mostrando una promessa, disse Lim, che sta utilizzando i fondi del Planetary Instrument Concepts della NASA per l'avanzamento del programma di osservazione del sistema solare, meglio conosciuto come PICASSO, per far avanzare il concetto.
Il cannone elettronico di dimensioni nanotecnologiche
Chiave dello strumento di Lim, Certo, sono i nanotubi di carbonio, che sono ottimi emettitori di elettroni. Scoperto nel 1991, queste strutture esibiscono anche una serie di utili dispositivi elettronici, proprietà magnetiche e meccaniche.
Per creare queste strutture altamente versatili, i tecnici posizionano un wafer di silicio o qualche altro substrato all'interno di un forno. Mentre il forno si scalda, bagnano il substrato con un gas di alimentazione di carbonio per produrre il sottile rivestimento di strutture simili a capelli quasi invisibili.
Per l'emettitore di elettroni, Hagopian e Lim stanno usando questa tecnica per crescere piccoli, punti circolari di nanotubi di carbonio in uno schema a griglia che il ramo del rilevatore di Goddard ha modellato usando la fotolitografia. Sopra e sotto il reticolo di punti sono posizionati fili o tracce di silicio e una griglia che producono due diverse tensioni. Queste tensioni creano un campo elettrico che attiva il rilascio di elettroni contenuti all'interno dei dossi o delle foreste di nanotubi di carbonio.
Sotto il concetto di strumento di Lim, i fasci di elettroni passerebbero quindi attraverso una pila di lenti elettrostatiche per accelerare la loro velocità e aiutarli a focalizzarli su un bersaglio extraterrestre. Quando gli elettroni colpiscono il campione, il bombardamento ecciterebbe gli elementi contenuti all'interno del campione, producendo raggi X che uno spettrometro analizzerebbe quindi per identificare la composizione chimica del campione.
John Hagopian (a sinistra) ha collaborato con la scienziata Lucy Lim per sviluppare un nuovo strumento che si basa su nanotubi di carbonio per fornire gli elettroni necessari per eccitare i minerali contenuti in un campione extraterrestre. Larry Hess (a destra) modella tutti i cavi e i cerotti in cui si deposita il catalizzatore per la crescita dei nanotubi. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA/Bill Hrybyk
Previsti miglioramenti significativi
Sebbene la NASA abbia pilotato altri strumenti che analizzano i campioni utilizzando i raggi X, Il concetto di Lim e il suo uso dei nanotubi di carbonio potrebbero offrire miglioramenti significativi.
Ciò che è diverso nel suo emettitore di campo di elettroni basato su nanotubi di carbonio è la sua piccola dimensione e il fatto che è completamente indirizzabile. "Potremmo scegliere quale bump attivare, " ha detto Lim. "Saremmo in grado di analizzare diversi punti sul campione individualmente".
In contrasto, se lo strumento avesse una sola sorgente di elettroni, potrebbe analizzare solo una parte del campione, ha detto Lim. "Vogliamo ottenere mappe compositive, " ha aggiunto. "Senza l'emettitore indirizzabile, potremmo non scoprire tutti i minerali contenuti in un campione, quanto sono grandi, o la loro relazione reciproca".
Nella prova, Lim ha dimostrato che i dossi emettono abbastanza elettroni per eccitare un campione. Per di più, Hagopian, che ha pilotato un paio di campioni di rivestimento sulla Stazione Spaziale Internazionale nel 2014, ha dimostrato che la tecnologia può sopravvivere a un'escursione nello spazio.
Il gruppo, che include anche Larry Hess con Detector Branch di Goddard, si sta avvicinando alle sfide tecniche e sa che la nanotecnologia funziona come previsto. Però, restano gli ostacoli, disse Hagopian, il fondatore del Lanham, Nanofotonica avanzata con sede nel Maryland. Confezionare la griglia a base di nanotubi in un piccolo pacchetto e poi collegarla all'elettronica dello strumento "è difficile, " disse Hagopian. Tuttavia, il team crede di poter dimostrare la sonda elettronica basata su nanotubi entro un paio di anni nell'ambito dello sforzo di ricerca finanziato dalla NASA.
Soppressione della luce diffusa
In un'applicazione completamente diversa e forse più conosciuta, Hagopian sta sviluppando rivestimenti per assorbire la luce diffusa che può rimbalzare sui componenti dello strumento e alla fine contaminare le misurazioni.
Nella prova, i rivestimenti in nanotubi di carbonio si sono dimostrati molto efficaci nell'assorbire il 99,8 percento della luce che li colpisce ed è il motivo per cui appaiono molto neri. Quando la luce penetra nella foresta di nanotubi, minuscoli spazi tra i tubi impediscono alla luce di rimbalzare. Però, questi spazi non assorbono la luce. Il campo elettrico della luce eccita gli elettroni nei nanotubi di carbonio, trasformando la luce in calore e assorbendola efficacemente, Hagopian ha detto.
Per i ricercatori dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, Maryland, Hagopian sta coltivando nanotubi con motivi intricati su un componente che cambia il modello di luce che ha diffratto dai bordi delle strutture del telescopio usando maschere coronagrafiche, che bloccano la luce delle stelle, Hagopian ha detto. Il programma Small Business Innovative Research della NASA ha finanziato lo sforzo.
Sta anche collaborando con il Principal Investigator Antonio Mannino per creare un rivestimento che impedisca alla luce diffusa di contaminare le misurazioni raccolte da un nuovo strumento chiamato Coastal Ocean Ecosystem Dynamics Imager, o COEDI. Questo spettrometro iperspettrale è stato progettato per monitorare il colore dell'oceano dall'orbita geostazionaria, misurazioni che scienziati e altri potrebbero utilizzare per valutare e gestire le risorse costiere.
"Ho iniziato a lavorare con John [Hagopian] due anni fa, quando ho scoperto durante i test che la luce diffusa sarebbe stata un problema con COEDI, " disse Mannino, che sta sviluppando il suo strumento anche con il finanziamento della ricerca e sviluppo della NASA. "Gli abbiamo chiesto di aiutarci con il problema. Penso che sia vicino a risolverlo".
