En arméfinansierad smart fiber som testas på den internationella rymdstationen kan användas för att utveckla rymddammsteleskop och låta astronauter känna genom sina trycksatta dräkter.

Forskare vid Army's Institute for Soldier Nanotechnologies vid Massachusetts Institute of Technology utvecklade ett akustiskt tyg som är så känsligt för vibrationer att det kan upptäcka stötar från mikroskopiska rymdpartiklar med hög hastighet. En mer jordisk tillämpning av dessa tyger skulle kunna vara för sprängdetektering och i framtiden fungera som känsliga mikrofoner för riktad skottdetektering.

Tygsystemet innehåller termiskt dragna vibrationskänsliga fibrer som kan omvandla mekanisk vibrationsenergi till elektrisk energi. När mikrometeoroider eller rymdskräp träffar tyget, tyget vibrerar, och den akustiska fibern genererar en elektrisk signal.

"Detta är ett utsökt exempel på att utnyttja nanovetenskap för teknikutveckling som överbryggar de fysiska och digitala domänerna, sa James Burgess, ISN programledare för Arméns forskningskontor, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Command, nu känd som DEVCOM, Arméns forskningslaboratorium. "Att leverera revolutionerande metoder som är resultatet av grundläggande vetenskap är alltid en av våra huvudprioriteringar, och möjligheten att samla in data från rymddamm med en fibersensor som en viktig byggsten i systemet är verkligen spännande."

Den amerikanska armén etablerade ISN 2002 som ett tvärvetenskapligt forskningscenter som ägnas åt att dramatiskt förbättra skyddet, överlevnadsförmåga, och uppdragskapaciteten hos Soldier och Soldier-stödjande plattformar och system.

Den akustiska fibern utvecklades genom ISN-projekt som syftade till att bygga nästa generations fibrer och tyger för soldatuniformer och stridsutrustning som kunde upptäcka en mängd olika fysiologiska parametrar som hjärtfrekvens och andning samt externa ljud som skott och explosioner.

"Traditionella teleskop använder ljus för att lära sig om avlägsna föremål; detta tyg använder rymddammanalys för att lära sig om rymden, " sa Dr Yoel Fink, professor i materialvetenskap och elektroteknik vid MIT. "Detta är ett bra exempel på hur ISN-projekt tillåter oss att vara mycket lyhörda för möjligheter och möta utmaningar långt utöver vad vi från början föreställt oss."

MIT doktorand Juliana Cherston, projektets ledare, tillämpade en annan del av ISN-tekniken – den laserinducerade partikelimpakttestmatrisen, som använder lasrar för att accelerera små partiklar till överljuds- eller till och med hypersoniska hastigheter, och gör det möjligt för forskare att avbilda och analysera deras inverkan på målmaterial - för att visa att tygsystemet exakt kunde mäta impulsen från små partiklar som rör sig i hundratals meter per sekund.

Forskare använder nu ISN-anläggningar för att testa det akustiska tygets känslighet för stötar från mikropartiklar med liknande kinematik som vissa typer av rymddamm med hög hastighet. Samtidigt, forskare baserar fibersensorns motståndskraft mot den hårda miljön i Low Earth Orbit på den internationella rymdstationen.

För denna första lansering, forskargruppen arbetade med Japan Aerospace Exploration Agency och det japanska företaget Space BD för att skicka ett 10 cm gånger 10 cm prov av det högteknologiska tyget till den internationella rymdstationen, där den installerades på en yttervägg, utsatta för rymdens påfrestningar. Tygprovet, utan ström för tillfället, kommer att vara kvar på det kretsande laboratoriet i ett år, för att avgöra hur väl dessa material överlever den hårda miljön med låg jordomloppsbana.

Teamet är också planerat för en eldriven utplacering av tyget genom sponsring av den internationella rymdstationen US National Laboratory i slutet av 2021 eller början av 2022. Den internationella rymdstationen US National Laboratory arbetar i samarbetsavtal med NASA för att fullt ut utnyttja den kretsande plattformen för att tillför värde till vår nation genom rymdbaserad forskning och möjliggör en ekonomi med låg omloppsbana om jorden.

"Termiskt dragna flermaterialfibrer har utvecklats av vår forskargrupp vid MIT i mer än 20 år, sa Dr Wei Yan, postdoc vid MIT:s forskningslaboratorium för elektronik och institutionen för materialvetenskap och teknik. "Det som gör dessa akustiska fibrer speciella är deras utsökta känslighet för mekaniska vibrationer. Tyget har visats i markanläggningar för att detektera och mäta stötar oavsett var rymddammet träffade tygets yta."

Den vita ytan på den internationella rymdstationen är faktiskt ett skyddande tygmaterial som kallas Beta-tyg, en teflonimpregnerad glasfiber designad för att skydda rymdfarkoster och rymddräkter från elementens svårighetsgrad mer än 250 miles över jordens yta.

Forskargruppen tror att det akustiska tyget kan leda till tyger med stor yta som exakt mäter impulsen på rymdskepp av mikrometeoroider och rymdskräp som färdas i kilometer per sekund. De smarta tygerna kan också hjälpa till att ge astronauter en känsla av beröring genom sina trycksatta dräkter genom att tillhandahålla sensoriska data från utsidan av dräkten och sedan kartlägga dessa data till haptiska manöverdon på bärarens hud.

På ett år, dessa prover kommer att återvända till jorden för analys efter flygningen. Forskarna kommer att mäta eventuell erosion från atomärt syre, missfärgning från ultraviolett strålning, och ändringar i fibersensorns prestanda efter ett års termisk cykling.

"Det är lätt att anta att eftersom vi redan skickar detta material till rymden, tekniken måste vara väldigt mogen, " sa Cherston. "I verkligheten, vi utnyttjar rymdmiljön för att komplettera våra viktiga marktestinsatser. Vårt fokus ligger på att basera deras motståndskraft mot rymdmiljön."