Uno dei componenti più importanti dei satelliti che consentono le telecomunicazioni è la guida d'onda, che è un tubo metallico per guidare le onde radio. È anche uno dei carichi utili più pesanti che i satelliti portano in orbita. Come per tutta la tecnologia spaziale, ridurre il peso significa ridurre la quantità di carburante costoso e che produce gas serra, necessario per lanciare un razzo o aumentare il numero di dispositivi trasportati dallo stesso razzo nello spazio.
I ricercatori della Drexel University e dell'Università della British Columbia stanno cercando di alleggerire il carico creando e testando una guida d'onda composta da polimeri stampati in 3D rivestiti con un nanomateriale conduttivo chiamato MXene.
Nel loro articolo recentemente pubblicato sulla rivista Materials Today , il gruppo ha riferito sul potenziale dell'utilizzo dei rivestimenti MXene per conferire conduttività elettrica a componenti leggeri e non conduttivi, una proprietà sacrificata nella produzione additiva utilizzando materiali polimerici, come la plastica.
"Nelle applicazioni di volo spaziale, ogni grammo in più di peso conta", ha affermato Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e Professore Bach al Drexel's College of Engineering, leader nella ricerca MXene. "I materiali MXene forniscono uno dei rivestimenti più sottili possibili (le loro scaglie hanno uno spessore di pochi atomi) in grado di creare una superficie conduttiva, quindi vediamo un grande potenziale nell'utilizzo di MXene per trattare componenti prodotti con additivi realizzati con polimeri che hanno forme complesse."
Le guide d'onda funzionano come condutture per le microonde. Dirigono le onde ai ricevitori preservando la potenza del segnale. Nel forno a microonde le guide d'onda assicurano il riscaldamento del cibo; su un satellite, trasferiscono segnali di alta qualità tra diversi oggetti all'interno e tra i satelliti, nonché tra i satelliti e la Terra.
E, come l’intricata rete di tubi che si snoda attraverso una casa, le guide d’onda sono progettate in varie forme per adattarsi a spazi ristretti. Possono variare da canali semplici e diritti a strutture complesse come un labirinto.
"Le guide d'onda possono essere semplici come un canale diritto e rettangolare, oppure possono trasformarsi in forme che ricordano una 'cannuccia pazza', con curve e torsioni", ha affermato Mohammad Zarifi, professore associato che studia la comunicazione a microonde presso l'Università della British Columbia e ha guidato l'ingegneria elettrica e gli sforzi di progettazione del team. "La vera svolta, tuttavia, è l'avvento dei metodi di produzione additiva, che consentono progetti più complessi che possono essere difficili da produrre con i metalli."
Mentre praticamente qualsiasi tubo cavo potrebbe essere utilizzato come una primitiva "guida d'onda", quelli che trasmettono le onde elettromagnetiche, ad esempio nei forni a microonde e nei dispositivi di telecomunicazione, devono essere realizzati con un materiale conduttivo per preservare la qualità della trasmissione. Queste guide d'onda sono generalmente realizzate con metalli come argento, ottone e rame. Nei satelliti, l'alluminio è la scelta più leggera.
I ricercatori di Drexel, che hanno scoperto per primi gli MXene nel 2011 e da allora hanno condotto la loro ricerca e sviluppo, hanno suggerito che i nanomateriali 2D sarebbero un buon candidato come rivestimento per i componenti della guida d'onda in plastica sulla base delle loro precedenti scoperte secondo cui gli MXene possono bloccare e incanalare radiazioni.
"Il nostro rivestimento MXene è emerso come un forte candidato per questa applicazione perché è altamente conduttivo, funziona come uno scudo elettromagnetico e può essere prodotto semplicemente immergendo la guida d'onda negli MXene dispersi in acqua", ha affermato Lingyi Bi, Ph.D. candidato nel gruppo di Gogotsi. "Sono state testate altre vernici metalliche, ma a causa delle sostanze chimiche utilizzate per stabilizzare i loro ingredienti metallici, la loro conduttività ne risente rispetto agli MXene."
Inoltre, i ricercatori hanno riferito che il rivestimento MXene si legava eccezionalmente bene alle guide d’onda in nylon stampate in 3D grazie alla compatibilità tra le loro strutture chimiche. Il team ha rivestito guide leggere di varie forme e dimensioni (diritte, piegate, ritorte e a forma di risonatore) per testare la capacità di MXene di coprire completamente la parte interna.
Le guide d'onda in nylon rivestite in MXene pesano circa otto volte meno di quelle standard in alluminio attualmente utilizzate e il rivestimento in MXene aggiunge solo un decimo di grammo al peso complessivo dei componenti.
Ancora più importante, le guide d'onda MXene hanno funzionato quasi quanto le loro controparti in alluminio, mostrando un'efficienza dell'81% nel guidare le onde elettromagnetiche tra due terminali dopo un solo ciclo di rivestimento a immersione, con un calo di appena il 2,3% rispetto alle prestazioni dell'alluminio. I ricercatori hanno dimostrato di poter migliorare questo parametro di trasmissione variando gli strati di rivestimento o la dimensione delle scaglie di MXene, raggiungendo un'efficienza di trasmissione massima del 95%.
Questa prestazione è rimasta stabile quando la trasmissione è stata commutata su diverse bande di frequenza, come quelle attualmente utilizzate nelle comunicazioni satellitari in orbita terrestre bassa, e una potenza di ingresso sufficientemente elevata per queste trasmissioni. Inoltre non si è deteriorato in modo significativo dopo tre mesi, un indicatore della durabilità del rivestimento.
"Le guide d'onda rivestite con MXene devono ancora essere sottoposte a test approfonditi ed essere certificate per l'uso spaziale prima di poter essere utilizzate sui satelliti", ha affermato Roman Rakhmanov, un dottorando presso Drexel che ha partecipato alla ricerca. "Ma questa scoperta potrebbe essere un passo importante verso la prossima generazione di tecnologia spaziale."
Il team di Gogotsi prevede di continuare l'esplorazione dei rivestimenti MXene in applicazioni che potrebbero trarre vantaggio da un'alternativa ai componenti metallici.
"Questi risultati promettenti suggeriscono che i componenti rivestiti con MXene potrebbero essere un valido sostituto leggero delle guide d'onda utilizzate nello spazio", ha affermato Gogotsi. "Riteniamo che i rivestimenti potrebbero anche essere ottimizzati per trasmissioni di frequenze variabili e applicati a una varietà di componenti polimerici prodotti con additivi o stampati a iniezione, fornendo un'alternativa leggera ed economica ai metalli anche in una serie di applicazioni terrestri. "
Ulteriori informazioni: Omid Niksan et al, MXene guida le microonde attraverso strutture polimeriche 3D, Materials Today (2024). DOI:10.1016/j.mattod.2023.12.013
Fornito dalla Drexel University
