Tycker du att det är viktigt att hålla ditt kaffe varmt? Prova satelliter. Om en satellits temperatur inte hålls inom sitt optimala område, dess prestanda kan lida vilket kan innebära att det kan vara svårare att spåra bränder eller andra naturkatastrofer, dina Google maps kanske inte fungerar och din Netflix binge kan avbrytas. Detta kan förhindras med ett nytt material som nyligen utvecklats av ingenjörer från USC Viterbi School of Engineering.
När satelliter reser bakom jorden, jorden kan blockera solens strålar från att nå satelliterna--kyla ner dem. I rymden, en satellit kan möta extrema temperaturvariationer så mycket som 190 till 260 grader Fahrenheit. Det har länge varit en utmaning för ingenjörer att hålla satellittemperaturer från att svänga vilt. Satelliter har konventionellt använt en av två mekanismer:fysiska "fönsterluckor" eller värmerör för att reglera värmen. Båda lösningarna kan tömma kraftreserverna ombord. Även med solenergi, produktionen är begränsad. Vidare, båda lösningarna lägger till massa, vikt och designkomplexitet för satelliter, som redan är ganska dyra att lansera.
Tar ledtrådar från människor som har ett fristående system för att hantera inre temperatur genom homeostas, ett team av forskare inklusive Michelle L. Povinelli, professor vid Ming Hsieh Institutionen för elektroteknik vid USC Viterbi School of Engineering, och USC Viterbi-studenterna Shao-Hua Wu och Mingkun Chen, tillsammans med Michael T. Barako, Vladan Jankovic, Philip W.C. Hon och Luke A. Sweatlock från Northrop Grumman, utvecklat ett nytt material för att självreglera temperaturen på satelliten. Teamet av ingenjörer med expertis inom optik, fotonik, och termisk teknik utvecklade en hybridstruktur av kisel och vanadiumdioxid med en konisk design för att bättre styra strålningen från satellitens kropp. Det är som en texturerad hud eller beläggning.
Vanadiumdioxid fungerar som det som kallas ett "fasförändrande" material. Det fungerar på två olika sätt:som en isolator vid låga temperaturer och en ledare vid höga temperaturer. Detta påverkar hur det utstrålar värme. Vid över 134 grader Fahrenheit (330 grader Kelvin), den utstrålar så mycket värme som möjligt för att kyla ner satelliten. Ungefär två grader under detta, materialet stänger av värmestrålningen för att värma upp satelliten. Materialets koniska struktur (nästan som en taggig hud) är osynlig för det mänskliga ögat på ungefär mindre än hälften av tjockleken på ett enda människohår - men har ett tydligt syfte att hjälpa satelliten att slå på och av strålningen mycket effektivt.
Resultat
Hybridmaterialet som utvecklats av USC och Northrop Grumman är tjugo gånger bättre på att hålla temperaturen än kisel ensam. Viktigt, passivt reglera värme och temperatur på satelliter kan öka satelliternas livslängd genom att minska behovet av att använda ström ombord.
Applikationer på jorden
Förutom användning på en satellit, materialet kan också användas på jorden för termisk hantering. Det kan appliceras på en byggnad över ett stort område för att mer effektivt bibehålla en byggnads temperatur.
Studien, "Termisk homeostas med hjälp av mikrostrukturerade fasförändringsmaterial, "publiceras i Optica . Forskningen finansierades av Northrop Grumman och National Science Foundation. Denna utveckling är en del av en tematisk forskningsinsats mellan Northrop Grumman, NG Next Basic Research och USC, känt som Northrop Grumman Institute of Optical Nanomaterials and Nanophotonics (NG-ION2).
Forskarna arbetar nu med att utveckla materialet i USC:s mikrofabrikationsanläggning och kommer sannolikt att dra nytta av de nya funktionerna i det nyligen dedikerade John D. O'Brien Nanofabrication Laboratory i USC Michelson Center for Convergent Bioscience.
