En av de viktigaste komponenterna i satelliter som möjliggör telekommunikation är vågledaren, som är ett metallrör för att styra radiovågor. Det är också en av de tyngsta nyttolaster satelliter bär i omloppsbana. Som med all rymdteknik innebär att minska vikten att minska mängden dyrt och växthusgasproducerande bränsle som krävs för att skjuta upp en raket eller att öka antalet enheter som bärs av samma raket till rymden.
Forskare från Drexel University och University of British Columbia försöker lätta på belastningen genom att skapa och testa en vågledare gjord av 3D-printade polymerer belagda med ett ledande nanomaterial som kallas MXene.
I deras artikel som nyligen publicerades i tidskriften Materials Today , rapporterade gruppen om potentialen med att använda MXene-beläggningar för att ge lätta icke-ledande komponenter med elektrisk ledningsförmåga – en egenskap som offrats vid additiv tillverkning med polymermaterial, såsom plast.
"I rymdfärdstillämpningar räknas varje extra gram vikt", säger Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach-professor vid Drexel's College of Engineering, som är ledande inom MXene-forskning. "MXene-material ger en av de tunnaste möjliga beläggningarna - deras flingor har en tjocklek på några atomer - som kan skapa en ledande yta, så vi ser stor potential i att använda MXenes för att behandla tillsatstillverkade komponenter gjorda av polymerer som har komplexa former."
Vågledare fungerar som pipelines för mikrovågor. De riktar vågorna till mottagare samtidigt som signalens kraft bevaras. I en mikrovågsugn säkerställer vågledare uppvärmningen av maten; på en satellit överför de högkvalitativa signaler mellan olika objekt inom och mellan satelliter, såväl som mellan satelliter och jorden.
Och, som det invecklade nätverket av rör som slingrar sig genom ett hem, är vågledare utformade i olika former för att passa in i trånga utrymmen. De kan sträcka sig från enkla, raka kanaler till strukturer så komplexa som en labyrint.
"Vågledare kan vara lika grundläggande som en rak, rektangulär kanal, eller så kan de förvandlas till former som liknar ett "galet sugrör", med böjar och vridningar, säger Mohammad Zarifi, en docent som studerar mikrovågskommunikation vid University of British Columbia och ledde teamets elteknik och designinsatser. "Den verkliga spelomvandlaren är dock tillkomsten av additiva tillverkningsmetoder, som möjliggör mer komplexa konstruktioner som kan vara svåra att tillverka med metaller."
Medan nästan vilket ihåligt rör som helst kan användas som en primitiv "vågledare", måste de som sänder ut elektromagnetiska vågor - i mikrovågsugnar och telekommunikationsenheter, till exempel - vara gjorda av ett ledande material för att bevara kvaliteten på överföringen. Dessa vågledare är vanligtvis gjorda av metaller som silver, mässing och koppar. I satelliter är aluminium det lättare valet.
Forskarna från Drexel, som först upptäckte MXenes 2011 och har lett deras forskning och utveckling sedan dess, föreslog att 2D nanomaterial skulle vara en bra kandidat som en beläggning för plastvågledarkomponenterna baserat på deras tidigare upptäckter att MXenes kan blockera och kanalisera elektromagnetiska ämnen. strålning.
"Vår MXene-beläggning framträdde som en stark kandidat för denna applikation eftersom den är mycket ledande, fungerar som en elektromagnetisk skärm och kan produceras helt enkelt genom att doppa vågledaren i MXener dispergerade i vatten", säger Lingyi Bi, en Ph.D. kandidat i Gogotsis grupp. "Andra metallfärger har testats, men på grund av de kemikalier som används för att stabilisera deras metalliska ingredienser, blir deras ledningsförmåga lidande jämfört med MXenes."
Dessutom rapporterade forskarna att MXene-beläggningen fäste exceptionellt bra till de 3D-tryckta nylonvågledarna på grund av kompatibilitet mellan deras kemiska strukturer. Teamet doppbelagda lättviktsguider av olika former och storlekar – raka, böjda, vridna och resonatorformade – för att testa MXenes förmåga att täcka deras inre grundligt.
De MXene-belagda nylonvågledarna väger ungefär åtta gånger mindre än de standardaluminium som används för närvarande, och MXene-beläggningen lade bara en tiondel av ett gram till komponenternas totala vikt.
Viktigast av allt, MXene-vågledarna presterade nästan lika bra som deras aluminiummotsvarigheter, och visade en effektivitet på 81 % när det gäller att styra elektromagnetiska vågor mellan två terminaler efter bara en cykel med doppbeläggning, bara en minskning på 2,3 % från prestandan hos aluminium. Forskarna visade att de kunde förbättra detta transmissionsmått genom att variera beläggningsskikten eller storleken på MXene-flingor – och nå en högsta transmissionseffektivitet på 95 %.
Denna prestanda höll sig stabil när sändningen ringdes upp till de olika frekvensbanden, såsom de som för närvarande används i satellitkommunikationer med låg omloppsbana om jorden, och en tillräckligt hög ineffekt för dessa sändningar. Det försämrades inte heller nämnvärt efter tre månader, en indikator på beläggningens hållbarhet.
"De MXene-belagda vågledarna behöver fortfarande genomgå omfattande tester och certifieras för rymdanvändning innan de kan användas på satelliter", säger Roman Rakhmanov, doktorand vid Drexel som deltog i forskningen. "Men denna upptäckt kan vara ett viktigt steg mot nästa generations rymdteknik."
Gogotsis team planerar att fortsätta sin utforskning av MXene-beläggningar i applikationer som kan dra nytta av ett alternativ till metallkomponenter.
"Dessa lovande resultat tyder på att MXene-belagda komponenter kan vara en livskraftig lättviktsersättning för vågledare som används i rymden," sa Gogotsi. "Vi tror att beläggningarna också kan optimeras för överföringar av varierande frekvenser och appliceras på en mängd olika additivtillverkade eller formsprutade polymerkomponenter, vilket ger ett lätt och billigt alternativ till metaller även i ett antal markbundna applikationer. "
Mer information: Omid Niksan et al, MXene guidar mikrovågor genom 3D-polymerstrukturer, Materials Today (2024). DOI:10.1016/j.mattod.2023.12.013
Tillhandahålls av Drexel University
