歐盟「石墨烯旗艦」計劃聯手歐空局測試石墨烯在宇航應用中的前景-光帆和熱管理

歐盟「石墨烯旗艦」計劃的研究人員和學生正與歐空局（ESA）合作準備兩個令人激動的實驗，來測試石墨烯在宇航應用中的可行性。該兩個實驗將在2017年11月6-17日開展，在零重力條件下對石墨烯進行測試來決定其在宇航應用中的潛力，包括光推進和熱管理。

計劃概述

「石墨烯旗艦」計劃是一個泛歐研究倡議，目標是研發基於石墨烯的新技術。「石墨烯旗艦」計劃的基礎性目標之一是培育學生和年輕的研究人員。這些充滿雄心的空間實驗是參與「石墨烯旗艦」計劃的學生和研究人員獲取在尖端研究領域新經驗的絕佳機會。

實驗一——光帆

基本情況

該實驗完全由學生主導。來自荷蘭代爾夫特大學的研究生組成的「石墨烯旗艦」計劃研究小組2016年10月向ESA教育的「降落你的研究！」項目遞交了提案。該提案獲准使用位於德國Bremen的ZARM落塔中的微重力條件來測試石墨烯的光帆。通過向來自旗艦計劃合作夥伴Graphenea的懸掛石墨烯薄膜上照射激光，實驗將測試能產生多大的推力，這將帶來使用激光或太陽推進空間應用中衛星的新方式。

人員組成

該由博士學生組成的研究團隊取名為GrapheneX，包括Santiago Cartamil Bueno、Davide Stefani、Vera Janssen和Rocco Gaudenzi，均來自荷蘭代爾夫特大學的Herre van der Zant研究組。研究小組組長Santiago Cartamil Bueno說：「我們在小組間對任務進行了劃分，並且進展良好。我們對實驗充滿了雄心。我們真的希望能夠恰當地做這個事情，因此我們堅定在該計劃中做了真正的科學。」

原理

光帆可用在空間應用中作為使用來自太陽光或地球激光器來推進宇宙飛船的一種方法。當光被表面吸收或反射時，它將產生一個推動力使表面遠離光源。該輻射力能夠用於推進空間應用中的物體，而不需耗費燃料或氣體。但是，該輻射力所產生的推力非常低。要實現有效推進，該光帆必須有足夠大的表面和儘可能地輕。石墨烯非常輕，並且兼顧，是太陽光帆非常好的候選者。GrapheneX團隊計劃研究石墨烯在模擬低重力和高真空宇航環境下的實驗中作為光帆如何工作。

實驗內容

來自高功率激光器的輻射力將照射到石墨烯薄膜上，推進光柵移動2毫米。該移動將通過一個簡單的顯微鏡來測量決定施加在石墨烯光帆的推力。團隊打算使用不同色的激光，來研究動量如何從光轉換到石墨烯的確切機制。

ESA教育的「降落你的研究！」項目為學生提供了設計使用ZARM落塔做實驗的機會。ZARM落塔可以模擬空間應用中的低重力和真空環境。146m ZARM落塔產生極低微重力條件，為地球重力的100萬分之一。在真空中，包含在試驗中的載荷艙在塔中向上發射和向下自由降落，提供總共9.3秒無重力環境。在ZARM落塔中，包括石墨烯光帆、激光器、攝像機將裝在落塔的載荷艙中。

視頻時長04:16，大小49.2M

實驗二——環路熱管

基本情況

研究人員將在零重力拋物線飛行中在飛機上經歷失重，並實施一個實驗來測試基於石墨烯的熱管理器件在衛星中的應用。

人員組成

該實驗研究人員包括「石墨烯旗艦」的參與者——微重力研究中心、比利時布魯塞爾自由大學，英國劍橋大學劍橋石墨烯中心、義大利國家研究委員會（CNR）有機合成和光反應研究所、義大利Leonardo Spa公司（為宇航應用生產各種器件和系統的全球領導者），主要為來自微重力研究中心的Vanja Mi?kovi和Fabio，Iermano，以及劍橋石墨烯中心的Lucia Lombardi和Yarjan Samad。

實驗內容

研究人員將研究石墨烯是如何在環路熱管中改進熱轉移效率。該環路熱管是衛星和宇航設備中大量使用的冷卻系統，其重要組成部分是管芯，通常由多孔金屬製成。在這個試驗中，管芯將塗上不同類型石墨烯相關的材料來改進熱管的效率。塗覆後的管芯將在由ESA和法國Novespace合作開展的低重力失重飛行中進行測試。在每個3小時飛行中，特殊改裝過的飛機將做30個拋物線上升，每個無重力拋物線飛行狀態持續25秒。

Lombardi表示：「我非常興奮，因為這將是我第一次零重力體驗。該理念是使用石墨烯、通過在管芯的小孔中生長海綿來改進熱傳導和毛細壓力」。

Vanja Mi?kovi說：「我們希望測試不同類型的塗層，因為石墨烯和石墨烯氧化物有不同的特性，但是我們希望能在兩種塗層上都獲得良好的結果。我非常興奮，我知道不是有很多人能有這樣的機會。」

背景信息

因為在深空中缺少空氣，需要特殊的技術解決方案來解決熱問題，在衛星中熱管理非常重要。高溫能夠降低電子的可靠性，影響電子設備和儀器儀錶的信工。面對和背離太陽，導致一個衛星兩邊的溫度差能非常高，超過200℃。使用一個環路熱管，熱量就能從高溫的地方轉移到低溫的地方，向空間中輻射多餘的熱量。

視頻時長03:40，大小33.2M

意義

劍橋大學石墨烯器件科學和技術辦公室主任、管理層主席Andrea Ferrari補充道：「空間應用是石墨烯旗艦的一個新前沿。這些最初的實驗將測試石墨烯器件在空間應用的可行性。「石墨烯旗艦」計劃、項目參與者、歐空局和Leonardo組成的優勢，將為達到一個高技術成熟度提供強有力的基礎。」

瑞典查爾摩斯工學院教授、石墨烯旗艦計劃主任Jari Kinaret表示：「這兩個項目例證了石墨烯旗艦計劃的兩種特性，環路熱管路項目目標是特定的應用，而光帆項目則緊緊地關係著基礎研究，並以僅有石墨烯能提供的獨特特性為基礎而建立。我尤其為這樣的事實感到驕傲，這些項目中是由與宇航應用完全不相關的研究領域的學生啟動，這顯示出下一代研究人員的創造性，並顯示出我們旗艦計劃不同研究部分間一些令人驚奇的聯繫。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！