Ćwiczenia z przepisywania, wklepywania i zapamiętywania. Skończyłem 61 lat i jest to dla mnie bardzo dobre ćwiczenie na zachowanie jako takiej sprawności umysłowej i przy okazji poszerzenie wiedzy.
SCIENTIFIC AMERICAN, edycja polska
ŚWIAT NAUKI, grudzień 2023
KOSMICZNA PRODUKCJA
Materiały wytwarzane w przestrzeni kosmicznej są mocniejsze i wytrzymalsze niż fabrykowane na Ziemi
Debbie G. Senesky
Aerożel grafenowy, obiecujący materiał m.in. do produkcji materiałów izolacyjnych, magazynowania energii, trudno wytworzyć na Ziemi, ale można łatwiej uzyskać w przestrzeni kosmicznej.
Debbie G. Senesky jest profesorem nadzwyczajnym aeronautyki, astronautyki i inżynierii elektrycznej w Stanford University School of Engineering, gdzie kieruje EXtreme Enviroment Microsystems Laboratory.
KIEDY PO RAZ PIERWSZY DOWIEDZIAŁAM SIĘ O MATERIALE ZWANYM WĘGLIKIEM KRZEMU, BYŁAM zaszokowana. Jest to jeden z najtwardszych materiałów syntetycznych, prawie tak twardy, jak diament i odporny na korozję. Jego wewnętrzna struktura może przybierać formę ponad 200 różnych rodzajów krystalicznych. A oto naprawdę wspaniała wiadomość: przy ciśnieniu atmosferycznym się nie topi - nie tworzy formy ciekłej, ale gdy osiągnie temperaturę 2700˙C, od razu przechodzi ze stanu stałego w gaz.
Na węglik krzemu natknęłam się podczas pracy nad doktoratem z inżynierii mechanicznej na University of California w Berkeley. Jego niewiarygodne właściwości sprawiły, że zainteresowałam się materiałoznawstwem. Zainspirowało mnie to do zbadania problemów i możliwości związanych z wykorzystaniem dziwnego materiału do produkcji urządzeń elektronicznych.
Dopiero po uzyskaniu doktoratu dowiedziałam się, że węglik krzemu jest wytrzymały nie tylko na Ziemi - może również sprostać wielu niezwykłym warunkom występującym w przestrzeni kosmicznej: promieniowaniu, pyłowi kosmicznemu, ekstremalnym temperaturom i brakowi grawitacji. Promieniowanie kosmiczne - wysokoenergetyczne cząstki, takie jak protony, elektrony i neutrony - niszczy większość urządzeń elektronicznych. Węglik krzemu jest jednak o 60% mniej wrażliwy na promieniowanie kosmiczne niż krzem. Większość materiałów nie radzi sobie z ekstremalnymi temperaturami, jakie panują na rozpalonej Wenus czy lodowatym Uranie, nie mówiąc już o przeskakiwaniu między tymi przeciwieństwami. Ale węglik krzemu tak.
Uświadomienie sobie, że może on mieć odpowiednie właściwości do zastosowania w kosmosie, wyznaczyło kierunek mojej kariery, która łączy badania materiałowe z eksploracją kosmosu. Fascynuje mnie to, w jaki sposób przestrzeń kosmiczna wpływa na materiały i jak sprawdzają się w kosmosie. Obecnie projektuję układy elektroniczne przeznaczone dla misji kosmicznych i badam, w jaki sposób otrzymywanie materiałów na orbicie może je ulepszyć.
WIĘKSZOŚĆ MOJEJ PRACY związana jest z Wenus. To nasz najbliższy sąsiad, ale do tej pory ludzie mogli obejrzeć tylko kilka kolorowych zdjęć panoramicznych powierzchni Wenus, zrobionych przez radziecką misję w 1982 roku. Naukowcy stawiają hipotezę, że miliardy lat temu Wenus wyglądała jak Ziemia, z płynącą na jej powierzchni wodą i chłodniejszym klimatem. Dziś ta powierzchnia jest rozgrzana do 475 stopni Celsjusza, wystarczająco wysokiej, by stopić ołów. Atmosfera składa się z dwutlenku węgla i dwutlenku siarki, a niebo pokrywają chmury z kwasu siarkowego. Na powierzchni Wenus panuje ogromne ciśnienie - ponad 90 razy większe niż na Ziemi - czyli takie, jakie wystepuje kilometr pod powierzchnią naszych oceanów.
Jeszcze za mojego życia chciałabym zobaczyć misję lądownika na Wenus, która mogłaby zebrać dane na temat temperatury powierzchni i wzorów pogodowych. NASA proponuje przeprowadzenie 60-dniowej misji w celu wykonania pomiarów na powierzchni Wenus, ale agencja nie wie jeszcze, jak zbudować niezbędne instrumenty. W moim laboratorium EXtreme Environment Microsystems Laboratory (Laboratorium Mikrosystemów dla Środowiska Ekstremalnego; XLab) na Stanford University wspólnie z moimi studentami konstruuję maleńki, ale wytrzymały instrument elektroniczny zaprojektowany tak, aby przetrwać wszystko, co napotka na Wenus.
Jednym z największych wyzwań są wysokie temperatury panujące na planecie. Pod wpływem takiego ciepła wiele materiałów po prostu się topi. Nawet jeśli tak się nie stanie, ich sprężystość i inne właściwości mogą ulec zmianie i trudno przewidzieć, jak one wpłyną na zdolność urządzeń do działania. Dla przykładu, gdyby telefon komórkowy wylądował na Wenus, energia cieplna wywołałaby w nim lawinę elektronów i doprowadziła do awarii.
Telefony komórkowe (i większość naszej codziennej elektroniki) opierają się na materiałach półprzewodnikowych, głównie na krzemie. Zwykle na wierzchu umieszczona jest metalowa elektroda. Gdy jednak zbytnio się rozgrzeją, metal może przeniknąć półprzewodnika i zmienić właściwości mechaniczne i elektryczne materiału, przekształcając go w niepożądany stop.
W tym miejscu na scenę wkracza węglik krzemu.
Zarówno on, jak i inny badany przeze mnie materiał zwany azotkiem galu
stanowią dobry zamiennik zwykłego krzemu. Azotek galu jest często wykorzystywany w energetyce, elektronice wysokiej częstotliwości i niebieskich diodach LED. Podobnie jak krzem, oba materiały mają właściwości półprzewodnikowe, ale w przeciwieństwie do niego są odporne na wysokie temperatury i promieniowanie ze względu na szerokie pasmo zabronione i wysoką energię wiązania atomowego. Mówiąc prościej, elektrony w tych materiałach potrzebują dużo energii, aby osiągnąć poziom wymagany do przewodzenia, więc zachowują się normalnie nawet wtedy, gdy są gorące. Azotek galu może funkcjonować elektrycznie w temeperaturach wyższych niż 1000 stopni Celsjusza.
Koniec ćwiczeń, ale nie artykułu.
Mnie z kolei zaciekawiło w jaki sposób można by wykorzystać taki materiał przy syntezie termojądrowej, która wydaje się utopią. Ale wracając do kosmosu - Księżyc wydaje się jedynym sensownym i przybliżonym miejscem przyszłej produkcji takich specjalnych materiałów.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz