Una fibra intelligente finanziata dall'esercito in fase di sperimentazione sulla Stazione Spaziale Internazionale potrebbe essere utilizzata per sviluppare telescopi per la polvere spaziale e consentire agli astronauti di sentire attraverso le loro tute pressurizzate.

I ricercatori dell'Istituto per le nanotecnologie dei soldati dell'Esercito del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato un tessuto acustico così sensibile alle vibrazioni da poter rilevare gli impatti di particelle spaziali microscopiche ad alta velocità. Un'applicazione più terrena di questi tessuti potrebbe essere per il rilevamento di esplosioni e in futuro fungere da microfoni sensibili per il rilevamento direzionale degli spari.

Il sistema di tessuto contiene fibre sensibili alle vibrazioni disegnate termicamente che sono in grado di convertire l'energia delle vibrazioni meccaniche in energia elettrica. Quando micrometeoroidi o detriti spaziali colpiscono il tessuto, il tessuto vibra, e la fibra acustica genera un segnale elettrico.

"Questo è uno squisito esempio di sfruttamento della nanoscienza per lo sviluppo tecnologico che collega i domini fisico e digitale, " ha detto James Burgess, Program manager ISN per l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, un elemento del comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, ora noto come DEVCOM, Laboratorio di ricerca dell'esercito. "Fornire metodologie rivoluzionarie che derivano dalla scienza fondamentale è sempre una delle nostre priorità principali, e l'opportunità di raccogliere dati dalla polvere spaziale utilizzando un sensore in fibra come elemento chiave del sistema è davvero entusiasmante".

L'esercito degli Stati Uniti ha istituito l'ISN nel 2002 come centro di ricerca interdisciplinare dedicato a migliorare drasticamente la protezione, sopravvivenza, e capacità di missione delle piattaforme e dei sistemi di supporto del soldato e del soldato.

La fibra acustica è stata sviluppata attraverso progetti ISN volti a costruire fibre e tessuti di nuova generazione per le uniformi dei soldati e l'equipaggiamento da battaglia in grado di rilevare una varietà di parametri fisiologici come la frequenza cardiaca e la respirazione, nonché suoni esterni come spari ed esplosioni.

"I telescopi tradizionali usano la luce per conoscere oggetti distanti; questo tessuto utilizza l'analisi della polvere spaziale per conoscere lo spazio, " ha detto il dottor Yoel Fink, professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria Elettrica al MIT. "Questo è un ottimo esempio di come i progetti ISN ci consentono di essere altamente reattivi alle opportunità e di affrontare sfide ben oltre ciò che inizialmente immaginavamo".

La studentessa laureata del MIT Juliana Cherston, capofila del progetto, applicato un altro pezzo di tecnologia ISN:l'array di test di impatto con particelle indotte dal laser, che utilizza i laser per accelerare minuscole particelle a velocità supersoniche o addirittura ipersoniche, e consente ai ricercatori di visualizzare e analizzare il loro impatto sui materiali target, per dimostrare che il sistema di tessuto potrebbe misurare con precisione l'impulso di piccole particelle che viaggiano a centinaia di metri al secondo.

Gli scienziati stanno ora utilizzando le strutture ISN per testare la sensibilità del tessuto acustico agli impatti di microparticelle con cinematica simile a quella di alcuni tipi di polvere spaziale ad alta velocità. Contemporaneamente, i ricercatori stanno basando la resilienza del sensore in fibra all'ambiente ostile dell'orbita terrestre bassa sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Per questo primo lancio, il team di ricerca ha lavorato con la Japan Aerospace Exploration Agency e la società giapponese Space BD per inviare un campione di 10 cm per 10 cm del tessuto ad alta tecnologia alla Stazione Spaziale Internazionale, dove è stato installato su una parete esterna, esposto ai rigori dello spazio. Il campione di tessuto, senza alimentazione per ora, rimarrà nel laboratorio orbitante per un anno, al fine di determinare quanto bene questi materiali sopravvivono al duro ambiente dell'orbita terrestre bassa.

Il team è inoltre programmato per un dispiegamento elettrico del tessuto attraverso la sponsorizzazione del Laboratorio nazionale degli Stati Uniti della Stazione Spaziale Internazionale alla fine del 2021 o all'inizio del 2022. Il Laboratorio nazionale degli Stati Uniti della Stazione Spaziale Internazionale lavora in collaborazione con la NASA per utilizzare appieno la piattaforma orbitante per portare valore alla nostra nazione attraverso la ricerca spaziale e consentire un'economia a bassa orbita terrestre.

"Le fibre multimateriale termosaldate sono state sviluppate dal nostro gruppo di ricerca al MIT da più di 20 anni, " ha detto il dottor Wei Yan, postdoc presso il Laboratorio di Ricerca di Elettronica del MIT e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Ciò che rende speciali queste fibre acustiche è la loro squisita sensibilità alle vibrazioni meccaniche. Il tessuto è stato dimostrato in strutture a terra per rilevare e misurare l'impatto indipendentemente da dove la polvere spaziale ha colpito la superficie del tessuto".

La superficie bianca della Stazione Spaziale Internazionale è in realtà un tessuto protettivo chiamato panno Beta, una fibra di vetro impregnata di teflon progettata per proteggere veicoli spaziali e tute spaziali dalla gravità degli elementi a più di 250 miglia sopra la superficie terrestre.

Il team di ricerca ritiene che il tessuto acustico potrebbe portare a tessuti di grandi dimensioni che misurano con precisione l'impulso sui veicoli spaziali di micrometeoroidi e detriti spaziali che viaggiano a chilometri al secondo. I tessuti intelligenti possono anche aiutare a fornire agli astronauti un senso del tatto attraverso le loro tute pressurizzate fornendo dati sensoriali dall'esterno della tuta e quindi mappando tali dati agli attuatori tattili sulla pelle di chi li indossa.

In un anno, questi campioni torneranno sulla Terra per l'analisi post-volo. I ricercatori misureranno qualsiasi erosione da ossigeno atomico, scolorimento da radiazioni ultraviolette, e modifiche alle prestazioni del sensore in fibra dopo un anno di ciclo termico.

"È facile presumere che, poiché stiamo già inviando questi materiali nello spazio, la tecnologia deve essere molto matura, " Cherston ha detto. "In realtà, stiamo sfruttando l'ambiente spaziale per completare i nostri importanti sforzi di test a terra. Il nostro obiettivo è stabilire come base la loro resilienza all'ambiente spaziale".