En ultramörk beläggning bestående av nästan osynliga shag-mattaliknande trådar gjorda av rent kol har visat sig vara mycket mångsidig för alla typer av rymdfärdstillämpningar.

I den senaste tillämpningen av kol-nanorörbeläggningen, optisk ingenjör John Hagopian, en entreprenör vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och Goddard-forskaren Lucy Lim växer en rad små, knappformade knölar av flerväggiga nanorör på en silikonwafer.

Prickarna, som mäter endast 100 mikron i diameter - ungefär lika stor som ett människohår - skulle fungera som "ammunitionskälla" för en minielektronsond. Denna typ av instrument analyserar de kemiska egenskaperna hos stenar och jord på luftlösa kroppar, som månen eller en asteroid.

Även om sonden fortfarande är tidigt i sin tekniska utveckling, det visar löfte, sa Lim, som använder finansiering från NASA:s Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations Program, mer känd som PICASSO, för att främja konceptet.

Elektronpistolen i nanoteknikstorlek

Nyckeln till Lims instrument, självklart, är kolnanorören, som är utmärkta elektronsändare. Upptäcktes 1991, dessa strukturer uppvisar också en mängd användbara elektroniska, magnetiska och mekaniska egenskaper.

För att skapa dessa mycket mångsidiga strukturer, tekniker placerar en kiselwafer eller något annat substrat inuti en ugn. När ugnen värms upp, de badar substratet med en kolråvara för att producera den tunna beläggningen av nästan osynliga hårliknande strukturer.

För elektronsändaren, Hagopian och Lim använder denna teknik för att växa små, cirkulära prickar av kolnanorör i ett rutmönster som Goddards detektorgren skapade med fotolitografi. Placerade ovanför och under gallret av prickar är kiseltrådar eller spår och ett rutnät som producerar två olika spänningar. Dessa spänningar skapar ett elektriskt fält som aktiverar frisättningen av elektroner som finns i kol-nanoröret eller skogarna.

Under Lims instrumentkoncept, elektronstrålarna skulle sedan passera genom en stapel av elektrostatiska linser för att accelerera deras hastighet och hjälpa till att fokusera dem på ett utomjordiskt mål. När elektronerna träffar provet, bombardementet skulle excitera elementen i provet, producerar röntgenstrålar som en spektrometer sedan analyserar för att identifiera provets kemiska sammansättning.

Betydande förbättringar förväntas

Även om NASA har flugit andra instrument som analyserar prover med hjälp av röntgenstrålar, Lims koncept och hennes användning av kolnanorör kan erbjuda betydande förbättringar.

Det som är annorlunda med hennes kolnanorörsbaserade elektronfältsändare är dess ringa storlek och det faktum att den är fullt adresserbar. "Vi skulle kunna välja vilken bump vi ska aktivera, "Lim sa." Vi skulle kunna analysera olika fläckar på provet individuellt. "

I kontrast, om instrumentet bara hade en elektronkälla, det kunde bara analysera en del av provet, sa Lim. "Vi vill skaffa sammansättningskartor, " tillade hon. "Utan den adresserbara sändaren, vi kanske inte upptäcker alla mineraler som finns i ett prov, hur stora de är, eller deras relation till varandra."

Vid testning, Lim har visat att gupparna avger tillräckligt med elektroner för att excitera ett prov. Vidare, Hagopian, som flög ett par beläggningsprover på den internationella rymdstationen 2014, har bevisat att tekniken kan överleva en utflykt till yttre rymden.

Laget, som även inkluderar Larry Hess med Goddard's Detector Branch, närmar sig de tekniska utmaningarna och vet att nanotekniken fungerar som man tänkt sig. Dock, kvarstår hinder, sa Hagopian, grundaren av Lanham, Maryland-baserad avancerad nanofotonik. Att paketera det nanorörsbaserade nätet i ett litet paket och sedan ansluta det till instrumentets elektronik "är svårt, "Sade Hagopian. Men teamet tror att det kan demonstrera den nanorörsbaserade elektronsonden inom ett par år under den NASA-finansierade forskningssatsningen.

Straylight dämpning

I en helt annan applikation och en som kanske är mer känd, Hagopian utvecklar beläggningar för att absorbera ströljus som kan rikoschettera instrumentkomponenter och i slutändan kontaminera mätningar.

Vid testning, kol-nanorör beläggningar har visat sig mycket effektiva för att absorbera 99,8 procent av ljuset som träffar dem och är anledningen till att de ser väldigt svarta ut. När ljus tränger in i nanorörskogen, små luckor mellan rören hindrar ljuset från att studsa. Dock, dessa luckor absorberar inte ljuset. Ljusets elektriska fält exciterar elektroner i kolnanorören, att förvandla ljus till värme och effektivt absorbera det, sa Hagopian.

För forskare vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, Hagopian växer intrikat mönstrade nanorör på en komponent som förändrar ljusmönstret som har diffrakterat från kanterna på teleskopstrukturer med hjälp av koronagrafiska masker, som blockerar stjärnljuset, sa Hagopian. NASA:s Small Business Innovative Research-program har finansierat insatsen.

Han samarbetar också med chefsutredaren Antonio Mannino för att skapa en beläggning som skulle förhindra ströljus från att förorena mätningar som samlats in av ett nytt instrument som kallas Coastal Ocean Ecosystem Dynamics Imager, eller COEDI. Denna hyperspektrala spektrometer designas för att övervaka havets färg från geostationär omloppsbana - mätningar som forskare och andra kan använda för att bedöma och hantera kustresurser.

"Jag började arbeta med John [Hagopian] för två år sedan när jag upptäckte när jag testade att ströljus skulle bli ett problem med COEDI, sa Mannino, som utvecklar sitt instrument också med NASA FoU-finansiering. "Vi bad honom hjälpa oss med problemet. Jag tror att han är nära att lösa det."