Mer än ett dussin olika materialprover kommer att studeras för att utvärdera effekterna av rymdexponering, inklusive denna kolfiberförstärkta polymer (CFRP). Kredit:Sean McNeil, GTRI
Under de kommande sex månaderna kommer ett kamerasystem på utsidan av den internationella rymdstationen (ISS) att ta bilder av mer än ett dussin olika materialprover och samla in detaljerad information som hjälper forskare att avgöra hur – och varför – de svåra förhållandena för utrymme påverka dessa material. Bland de frågor som ska studeras är färgförändringar som kan indikera den nedbrytning som orsakas av exponering för miljön i rymden.
Ett centralt mål med forskningen kommer att vara att korrelera färgförändringarna som sker under låg-Earth Orbital (LEO) exponering med variationer i materialens egenskaper – såsom strukturell styrka, kemisk sammansättning och elektrisk ledningsförmåga – för att bestämma hur dessa spektrala förändringar kan tillåta forskare och ingenjörer att visuellt bedöma försämring. LEO-rymdmiljön utsätter material för de skadliga effekterna av atomärt syre, ultraviolett strålning och högenergielektroner.
"Vi vill inte bara veta hur rymden påverkar material, utan också varför det händer", säger Elena Plis, senior forskningsingenjör vid Georgia Tech Research Institute (GTRI) som leder forskningsgruppen med flera organisationer. "Vi vet till exempel att ett vanligt använt material från DuPont, Kapton polyimidfilm, är föremål för förändringar i sin konduktivitet i rymden, men vi vill veta varför, hur vi kan förhindra det eller hur vi kan använda det till vår fördel ."
Att regelbundet fotografera materialen i både synliga och infraröda spektralområden kommer att ge en dynamisk registrering av vad som händer med optiska egenskaper i rymden, vilket förbättrar kunskapen som ofta har begränsats till mätningar före och efter rymdexponering. Forskargruppen kommer att ingående analysera de material som returneras till jorden för att bättre förstå hur rymdförstöring kan påverka andra materialegenskaper och använda denna information för långsiktig planering av rymduppdrag.
"Jag är intresserad av dynamiken i skador som orsakas av material i rymden," förklarade Plis. "Hittills har vi i allmänhet bara haft två datapunkter för att bedöma effekterna av rymden:de orörda materialen som vi lanserar och de kumulativa effekterna vi kan se när material returneras. Det unika med detta experiment är att vi låter oss titta på skador uppstår med tiden."
Utöver GTRI inkluderar forskargruppen forskare från Air Force Research Laboratory (AFRL), NASA, University of Texas i El Paso och DuPont, ett multiindustriellt företag med huvudkontor i Wilmington, Del. Utnyttjar Materials International Space Station Experiment ( MISSE) Flight Facility, forskningen stöds också av Aegis Aerospace Inc., företaget som äger och driver MISSE-plattformen installerad på ISS.
Att analysera de spektrala data som erhållits genom experimentet kan också tillåta observatörer att avgöra om en bit rymdskräp kommer från en lätt isolerande filt eller ett tyngre kretskort som kan skada kretsande rymdskepp. Förutom att tillhandahålla ett nytt sätt att bedöma den strukturella hälsan hos material på distans och bedöma riskerna från rymdskräp, kommer experimentet också att hjälpa ingenjörer att utvärdera nya material som kan ge designers av framtida rymdfarkoster nya alternativ.
"DuPont Kapton HN polyimidfilm, till exempel, är ett material som har använts ända sedan Apollo-uppdragen, vilket gör det till guldstandarden," sa Plis. "Men det finns många fler material som kan erbjuda förbättrade egenskaper, så vi ska se hur några exempel på dem påverkas av rymden."
Många av materialen som studeras används för att skydda rymdfarkostsystem och besättningar från effekterna av snabba termiska förändringar som sker i omloppsbana och från skadliga elektriska laddningseffekter. MISSE-16-materialvalet inkluderar olika typer av polyimider, flytande kristallpolymerer (LCP), polyhedral oligomer silsesquioxan (POSS), kol- och glasfiberförstärkta polymerer och polyetentereftalat (PET) polyesterfilmer.
Proverna installerades på utsidan av ISS med hjälp av en robotarm och kommer att hämtas på samma sätt om cirka sex månader. Proverna kommer att placeras på tre olika ytor av ISS för att få företrädesexponering för atomärt syre, ultraviolett strålning och högenergielektroner. Proverna levererades till ISS av en SpaceX Dragon-lastrymdfarkost som lanserades den 16 juli.
För att underlätta den långsiktiga observationen på omloppsbana har MISSE-testbädden uppgraderats med en kamera och belysningssystem för att täcka ett bredare spektralområde, inklusive infrarött, vilket är viktigt för att observera vissa aspekter av nedbrytning. Den uppgraderade hårdvaran kommer att förbli en del av MISSE-instrumenteringen efter att det GTRI-ledda experimentet är över.
Proverna, som är en tums kvadrater, förväntas återföras till jorden nästa vår. Materialen som flygs i rymden kommer att undersökas i detalj för att förstå nedbrytningen och jämföras med identiska prover som utsätts för simulerade rymdförhållanden i laboratoriet. Sammanlagt kommer proverna att utsättas för 10 olika karaktäriseringstekniker, inklusive atomkraftsmikroskopi, optisk karakterisering av reflektion och absorption och mätningar av elektrisk laddningsöverföring.
"Vi kommer att försöka koppla samman de optiska egenskaperna med ytförändringar och kemiska förändringar," sa Plis. "Med våra markexperiment hoppas vi kunna förstå dessa förändringar och fysiken som ligger bakom dem."
För Plis, som har studerat effekterna av rymdexponering på material sedan 2015, var att se forskningsuppskjutningen i rymden resultatet av en år lång tillämpnings- och utvecklingsprocess.
"För mig var lanseringen av materialen väldigt känslomässigt," sa hon. "Det är som en dröm som går i uppfyllelse att skicka min forskning ut i rymden och få data från rymden. Det här är mitt första projekt som går ut i rymden, och jag hoppas att det kommer att bli mer." + Utforska vidare
