Graphen

Ein ESA-Projekt mit Adamant Composites in Griechenland testete, wie die Zugabe von Graphen (und anderen nanoskaligen Materialien) die thermischen und elektrischen Eigenschaften eines Satelliten optimieren kann.

Das luftlose Vakuum des Weltraums ist ein Ort, an dem ein Satellit gleichzeitig heiß und kalt sein kann, wobei ein Teil davon im Sonnenlicht und der Rest im Schatten liegt. Wissenschaftler arbeiten daran, Temperaturextreme im Körper eines Satelliten zu minimieren, da Hitzestaus dazu führen können, dass Teile nicht mehr richtig ausgerichtet sind oder sich sogar verbiegen. Ein weiteres unerwünschtes Ergebnis bei hochisolierenden Vakuumbedingungen besteht darin, dass sich auf Satellitenoberflächen elektrische Ladungen aufbauen, die schließlich zu störenden oder schädlichen Entladungsereignissen führen können. Verbundwerkstoffe ersetzen zunehmend traditionelle Metallteile an Bord von Satelliten, doch diese polymerbasierten Materialien verfügen über eine geringere thermische und elektrische Leitfähigkeit, was diese Probleme verschärft.

Um solche Effekte zu vermeiden, bauen Missionsdesigner herkömmlicherweise spezielle wärmeleitende Infrastrukturen wie Wärmebänder und -rohre ein, während Metallerdungsstreifen um Bereiche des Satelliten herum leitende Pfade bereitstellen.

Als ergänzende Strategie betreute das in Griechenland ansässige Unternehmen Adamant Composites ein ESA-Projekt, bei dem es darum ging, den Prepreg-Verbundmaterialien, die zur Herstellung von Satellitenpanels verwendet werden, sowie den Klebstoffen, die zum Einbetten von Einsätzen verwendet werden, Graphen und andere 2D-Materialien auf „Nano-ermöglichender“ Basis hinzuzufügen Strukturteile zusammenfügen und/oder Bordelektronik verkleben.

Das Projekt wurde durch das General Support Technology Program (GSTP) der ESA unterstützt, das vielversprechende Technologien für den Weltraum und den freien Markt vorbereitet. Die Tests wurden vom Applied Mechanics Laboratory der Universität Patras auf Materialebene durchgeführt und von Beyond Gravity in Deutschland durchgeführt Qualifikation auf Panelebene.

Athanasios Baltopoulos, kaufmännischer Leiter von Adamant Composites, erklärt: „Die Idee bestand darin, Nanotechnologie einzusetzen, um diese strukturellen Verbundmaterialien zu modifizieren, um ihre thermische und elektrische Leistung zu erhöhen. Wir hatten das Konzept für den Weltraum in früheren Aktivitäten getestet.“

Nicolas Blasakis, Material- und Prozessingenieur bei Adamant Composites, fügt hinzu: „Wir wussten bereits, dass es im Prinzip funktionieren würde, daher handelte es sich hierbei nicht um eine grundlegende Studie. Der Zweck lag eher in der Richtung, die Produkte zu reifen und zu bestätigen, dass sie in der Lage sind.“ angemessenes industrielles Umfeld.“

Das Projekt begann mit der Charakterisierung der Stabilität der beteiligten Materialien und Prozesse und der anschließenden Qualifizierung der resultierenden Raumfahrtkomponente – einschließlich Hardwaredemonstrationen in repräsentativen mechanischen und thermischen Umgebungen.

Zu Testzwecken wurden zwei 0,5 x 1 m große Sandwichpaneele aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) hergestellt: eines aus konventionellen Materialien und das andere aus nanobasierten Äquivalenten. Mit geeigneten darauf montierten Massendummys und Testadaptern wurden beide Panels Vibrationen und Temperaturwechseln ausgesetzt, um relevante Umgebungsbedingungen zu simulieren. Zusätzliche Inspektionen wie Hammertests und Laserverfolgung wurden durchgeführt, um zu bestätigen, dass die festgelegten Anforderungen erfüllt wurden.

Um den thermischen Vorteil der Verwendung nanoaktiver Materialien aufzuzeigen, wurde ein spezielles, kleineres technisches Modell entwickelt, bei dem kundenspezifische Schrauben verwendet wurden, um Wärme in Standardeinsätze der Platten einzuspeisen und deren Ausbreitung unter Vakuum und variierenden Umgebungstemperaturen zu untersuchen. Die Röntgentomographie lieferte zusätzliche Erkenntnisse über die Vergussqualität im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit des Klebstoffauftragsprozesses.

Die Zugabe von Graphen zum Klebematerial erhöhte dessen elektrische Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen, während gleichzeitig seine Wärmeleitfähigkeit verdreifacht wurde und seine strukturelle Leistung erhalten blieb. Parallel dazu zeigte CFRP eine 25-prozentige Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Dicke des Verbundwerkstoffs. Auf Panelebene bewirken diese eine deutliche Unterdrückung von Temperaturunterschieden und reduzieren die Wärmegradienten um die Hälfte.

Dr. Baltopoulos erklärte: „Das Wichtigste, was wir erreicht haben, ist die Bestätigung, dass die Technologie nach den Schritten zur Industrialisierung gut funktioniert, dass sie ein echtes Großprojekt unterstützen kann und dass wir bereit sind, weiterzumachen. Wenn wir diese Nanotechnologien einsetzen würden.“ -Technologien für eine tatsächliche Mission zu ermöglichen, dann könnten wir eine Massenreduzierung und eine bessere Kontrolle ermöglichen, indem wir redundante thermisch und elektrisch leitende Teile durch Design entfernen.“

Die Ergebnisse bestätigen auch die Fähigkeit des Unternehmens, Satellitenpanels sowohl aus konventionellen als auch nanobasierten Materialien herzustellen. Dies stellt für Griechenland eine neuartige industrielle Fähigkeit dar, die es Adamant Composites ermöglichen wird, die Möglichkeit einer Teilnahme an zukünftigen europäischen und/oder nationalen Kleinsatellitenmissionen zu prüfen.

Als nächsten Schritt plant das Unternehmen zu untersuchen, wie die nanoaktiven Materialien mit typischeren thermischen Elementen kombiniert werden könnten, um die Leistung zu steigern, etwa mit Heizkörpern und Wärmerohren.

Benoit Bonvoisin, technischer Leiter der ESA für das Projekt, kommentiert: „Die Idee der Nanoaktivierung gibt uns die Möglichkeit, Verbundwerkstoffe maßgeschneidert zu gestalten. Das klingt auch für andere Anwendungen vielversprechend, wie zum Beispiel die Verbesserung der sicheren ‚Entfernbarkeit‘ von CFRP – um sicherzustellen, dass sie brennbar sind.“ während des atmosphärischen Wiedereintritts aufstehen, um eine Gefahr für Personen oder Sachwerte am Boden zu verhindern.“

„Die Zusammenarbeit mit der ESA bei diesem Projekt hatte zahlreiche Vorteile“, fügt Herr Blasakis hinzu. „In Bezug auf die Marktkenntnisse stellen ESA-Missionen potenzielle Endkunden für diese Entwicklungen dar, sodass wir nützliche Perspektiven gewonnen haben. Und neben der Unterstützung unseres ESA-Technikoffiziers und seiner Ingenieurskollegen erhalten wir auch Zugang zu einiger Spezialausrüstung.“ für Materialprüfungen, je nach Bedarf.

„Die Anleitung der ESA bedeutet, dass wir mit der richtigen Person Kontakt aufnehmen können, um unsere Fragen zu beantworten und herauszufinden, wie die von uns eingerichteten Prozesse auf die Anforderungen der Branche abgestimmt sind, was sich im Laufe der Entwicklung eines jungen Unternehmens wie unseres als sehr nützlich erwiesen hat.“