MIAMI-2—mikroskop och jonacceleratorer för materialundersökningar— har hjälpt Dr Matheus Tunes att undersöka en ny legering som kommer att härda aluminium utan att öka dess vikt nämnvärt.

Rymdfarkoster som skjuts upp från jorden måste vara lätta, men har fortfarande rätt mängd bränsle för att se dem uppnå omloppsbana. Om för tung, mängden bränsle som krävs skulle vara oöverkomlig. Väl utanför jordens skyddande magnetfält, ett fordon kan då utsättas för potentiellt destruktiva mängder solstrålning, vilket blir viktigare för alla långvariga uppdrag som till Mars.

Att göra rymdfarkoster av aluminium är en lösning, eftersom aluminium är ett lätt men ändå starkt material. Legeringar hjälper aluminium att bli hårdare genom nederbördsförstärkning, men den strålning som påträffas i rymden kan lösa upp de hårdnande fällningarna med potentiellt katastrofala och dödliga konsekvenser för astronauter.

Men forskningen som utfördes vid MIAMI-2 i samarbete med Montanuniversitaet Leoben (MUL) i Österrike har upptäckt att en speciell härdande fällning från en ny aluminiumlegering – utvecklad av en grupp metallurger under ledning av professor Stefan Pogatscher (MUL) – inte löses upp när de bombarderas med partikelstrålning jämfört med befintliga data om bestrålning av konventionella aluminiumlegeringar.

Resultatet är en legering med en strålningsbeständig härdningsfas som kallas en T-fas, som har en komplex kristallstruktur av Mg32(Zn, Al)49. Forskningen ledde till en artikel som har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Advanced Science, tillsammans med ett iögonfallande omslag.

"Idén med tidningen var att testa dessa nya legeringar med hjälp av MIAMI-anläggningarna, eftersom vi kan utsätta legeringen för energisk partikelstrålning och, på samma gång, övervaka effekten av denna strålning på legeringsmikrostrukturen med ett transmissionselektronmikroskop", säger Matheus.

"Vi övervakade den kristallografiska signalen för T-fasen när strålningen ökade och observerade att jämfört med andra konventionella aluminiumlegeringar, legeringen vi utvecklade var strålningstolerant – vilket innebär att härdningsfasen inte löses upp vid höga strålningsdoser.

"Det kastar ljus över ett mycket spännande nytt forskningsfält som vi kallar 'prototypiska rymdmaterial för miljöer med stjärnstrålning'. En kärnreaktor är också en extrem miljö, som solen är med solcykler, men dynamiska instabiliteter på solen som solflammor och koronala massutkastningar är mer extrema än något annat på jorden. Solen är en mycket effektiv kärnfusionsreaktor och högenergipartikelaccelerator."

Dr Graeme Greaves, Senior forskare vid MIAMI Facility, lägger till, "När Matt först kom till oss från Brasilien som doktorand letade han alltid efter nya projekt och skapade ett antal nya samarbeten, och jag är mycket glad över att när han börjar nästa del av sin karriär i Österrike och expanderar till nya områden, han fortsätter att samarbeta med oss ​​här på MIAMI-anläggningen, med detta aluminiumlegeringsprojekt som bara ett exempel."

Med bemannade uppdrag till månen och Mars som för närvarande planeras, fördelarna med rymdfarkoster som är lätta nog att skjuta upp och tål strålning för att skydda sina besättningar är tydliga. Nästa på agendan för Matheus, Graeme och kollegor ska ta reda på varför legeringen beter sig som den gör och vilka ytterligare fördelar det kan vara.

"Jag är särskilt stolt över att jag avslutade min doktorsexamen i Huddersfield, Jag har nu flyttat till Österrike men fortsätter att arbeta med Graeme, " Matheus tillägger. "Vi har ett aktivt samarbete och 2021 kommer att bli ett hektiskt år för det gemensamma Huddersfield-Leoben rymdmaterialforskningsprojektet".

"Vi upptäckte att T-fasen är strålningstolerant, men vi har inte upptäckt varför det är så. Vi har en idé som involverar den kemiska komplexiteten i fasen som vi tror kan leda till mycket intressant forskning. Vi hoppas att vi kan ge ett viktigt bidrag till ytterligare mänsklig utforskning av rymden."