Когда спутники движутся за Землей, Земля может блокировать попадание солнечных лучей на спутники, охлаждая их. В космосе спутник может столкнуться с резкими перепадами температуры от 190 до 260 градусов по Фаренгейту.
Для инженеров долгое время было проблемой удерживать температуру спутников от резких колебаний. В спутниках обычно используется один из двух механизмов: физические «жалюзи» или тепловые трубки для регулирования тепла. Оба решения могут истощить бортовые резервы мощности. Даже при использовании солнечной энергии мощность ограничена.
Кроме того, оба решения добавляют спутникам массу, вес и сложность конструкции, запуск которых и без того обходится довольно дорого.Принимая сигналы от людей, у которых есть автономная система для управления внутренней температурой посредством гомеостаза, группа исследователей, в том числе Мишель Л. Повинелли, профессор кафедры электротехники Мин Се инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби, и студенты Университета Витерби. Шао-Хуа Ву и Минкун Чен, а также Майкл Т. Барако, Владан Янкович, Филипп В. Хон и Люк А. Суитлок из Northrop Grumman разработали новый материал для саморегулирования температуры спутника.
Команда инженеров, обладающих опытом в оптике, фотонике и теплотехнике, разработала гибридную структуру из кремния и диоксида ванадия конической формы для лучшего контроля излучения от корпуса спутника. Это похоже на текстурированную кожу или покрытие.
Диоксид ванадия действует как материал, известный как "фазовый переход". Он действует двумя разными способами: как изолятор при низких температурах и как проводник при высоких температурах. Это влияет на то, как он излучает тепло.
При температуре более 134 градусов по Фаренгейту (330 градусов по Кельвину) он излучает как можно больше тепла для охлаждения спутника. При температуре примерно на два градуса ниже этого уровня материал отключает тепловое излучение, чтобы нагреть спутник. Коническая структура материала (почти как колючая кожа) невидима человеческому глазу примерно на половину толщины человеческого волоса, но имеет четкую цель — помочь спутнику очень эффективно включать и выключать излучение.
Полученные результатыГибридный материал, разработанный USC и Northrop Grumman, в двадцать раз лучше выдерживает температуру, чем один кремний. Важно отметить, что пассивное регулирование нагрева и температуры спутников может увеличить срок службы спутников за счет уменьшения потребности в расходе бортовой энергии.
Приложения на ЗемлеПомимо использования на спутнике, этот материал можно также использовать на Земле для управления температурным режимом. Его можно применить к зданию большой площади, чтобы более эффективно поддерживать температуру в здании.Исследование «Тепловой гомеостаз с использованием микроструктурированных материалов с фазовым переходом» опубликовано в Optica.
Исследование финансировалось Northrop Grumman и Национальным научным фондом. Эта разработка является частью тематических исследований, проводимых Northrop Grumman, NG Next Basic Research и USC, известными как Институт оптических наноматериалов и нанофотоники Northrop Grumman (NG-ION2).
В настоящее время исследователи работают над разработкой этого материала на предприятии по производству микроорганизмов в Университете Южной Калифорнии и, вероятно, извлекут выгоду из новых возможностей недавно созданной лаборатории нанофабрикатов Джона Д. О’Брайена в Центре конвергентной бионауки Майкельсона в Университете Калифорнии.