Para merecer la incorporación en una misión espacial de mil millones de dólares, las nuevas tecnologías deben ofrecer algo más que una promesa de funcionalidad mejorada. Las propiedades de los nuevos materiales y el impacto de su uso en todos los demás aspectos del equipo espacial deben definirse de forma fiable. Como enfatizan Jamshid A Samareh y Emilie J Siochi del Centro de Investigación Langley de la NASA en un revisión reciente, un factor clave que ha impedido una mayor adopción de nanomateriales en las misiones espaciales ha sido la falta de una comprensión profunda de su comportamiento dentro de los sistemas complejos y sofisticados de las naves espaciales. "La barrera es comprender los beneficios medibles sobre los materiales que se utilizan actualmente, especialmente cuando se tiene que negociar el riesgo y el costo con los paradigmas actuales", dice Emilie Siochi, científica sénior de materiales en la Rama de Procesamiento y Materiales Avanzados del Centro de Investigación Langley de la NASA en Virginia, Estados Unidos. En cuanto a la electrónica utilizada, Meyya Meyyappan, jefa científica de Tecnología de Exploración del Centro de Investigación Ames, señala que asegurarse de que la tolerancia a la radiación y el cumplimiento de los requisitos del empaque pueden impedir la adopción de "lo más avanzado". Aumentar la producción de los niveles de laboratorio a los volúmenes necesarios para un cohete también puede comprometer las propiedades de los nanomateriales que recomendaron su uso en primer lugar, lo que disuade su adopción.

A pesar de la cautela general en la tecnología espacial, sigue existiendo el atractivo de aprovechar los nanomateriales para asumir los desafíos de liberarse intactos de la Tierra, enfrentando el horno del despegue y el frío del espacio exterior, así como el cóctel cósmico de la exposición a la radiación. Y hay un número creciente de nanomateriales cuya fabricación y aplicación en dispositivos ha alcanzado un nivel de madurez que permite una valiosa contribución en las misiones aeroespaciales.

Conoce tus puntos fuertes

Los nanotubos de carbono (CNT) estuvieron entre las primeras nanoestructuras que capturaron la imaginación de los ingenieros en la industria aeroespacial y otras industrias, y constituyen el foco de atención de Reseña de Samareh y Siochi. La Informe de 2002 sobre las aplicaciones potenciales de los CNT en misiones espaciales destacó las mejoras de resistencia mecánica que los CNT aportan a los compuestos, con compuestos de matriz de polímero y aluminio reforzados con CNT de pared simple que muestran órdenes de magnitud de mayor resistencia que el aluminio 2219-T87 que se usa típicamente para aplicaciones estructurales de alta temperatura, como impulsores espaciales y tanques de combustible .

Chiara Daraio y colegas de Caltech, Rice University y Clemson University en EE. UU. nanotubos de carbono combinados con fibras de carbono aprovechar las propiedades mecánicas y las características de disipación de energía de estas estructuras. Su "esponja bucky" es capaz de amortiguar las fuerzas de impacto hasta en un 50%, proporcionando una protección valiosa dado el alto riesgo de posibles colisiones entre naves espaciales y otros desechos extraterrestres.

En la práctica, Samareh y Siochi sugieren que las numerosas consideraciones de diseño, como las estructuras de soporte y la durabilidad, pueden haber inhibido hasta ahora un uso más amplio de CNT en compuestos aeroespaciales. También ha habido un compromiso frustrante en la conductividad térmica, así como en las propiedades mecánicas y de otro tipo de los compuestos CNT producidos en masa en comparación con los de un laboratorio. Como resultado, los sectores comerciales con requisitos menos exigentes sobre reducción de masa, confiabilidad y durabilidad ambiental han visto un progreso más rápido en la explotación de compuestos de nanotubos de carbono. El progreso significativo en la fabricación de compuestos CNT en los últimos 15 años permite un pronóstico más optimista de su futura contribución en aplicaciones aeroespaciales, pero como destacan Samareh y Siochi, la perspectiva final para este campo dependerá de qué tan bien coincidan las ventajas identificadas en la tecnología CNT. con las necesidades de la industria aeroespacial para estimular la inversión en la producción en masa asequible de materiales que conservan las propiedades observadas en el laboratorio.

manejando el calor

La resiliencia térmica de las propiedades estructurales por sí sola no es suficiente para que un cohete resista las temperaturas extremas en el despegue y el reingreso. Los dispositivos electrónicos y de detección de la nave espacial también requieren protección. Para satisfacer esta amplia gama de demandas, los sofisticados sistemas de gestión térmica se basan en tecnologías que van desde conductores de calor y radiadores efectivos hasta capas de material de sacrificio en la superficie del cohete que absorben el calor generado a medida que los cohetes se ralentizan al entrar en la atmósfera. Las nanoestructuras son materiales prometedores para los sistemas de gestión del calor, que pueden explotar su gran superficie por unidad de volumen para la transferencia de calor.

El tamaño cada vez más reducido de los dispositivos electrónicos provoca de por sí un calentamiento. En el Nanotecnología,  Colección de enfoque aeroespacial Michael T Barako, Vincent Gambin y Jesse Tice en NG Next, Northrop Grumman Corporation repasan el desafíos de calor específicamente asociado con la electrónica de alta potencia en tecnologías aeroespaciales, donde la presión para reducir el tamaño del dispositivo puede aumentar los efectos de calentamiento que se suman a los problemas de exposición al calor del propio vuelo, lo que culmina en lo que describen como "los desafíos de gestión térmica más agresivos". Describen algunas de las opciones que los nanomateriales pueden proporcionar en diferentes puntos, desde la fuente de calor hasta el disipador. Estos incluyen el uso de diamantes sintéticos con alta conductividad térmica para facilitar el transporte de calor, materiales nanoporosos y nanocables de cobre alineados verticalmente como materiales de interfaz térmica de alto rendimiento y materiales de cambio de fase (PCM) que pueden absorber energía térmica en cambios en la microestructura. Si bien las aplicaciones aeroespaciales establecen un alto nivel en la capacidad de reproducir nanoestructuras con precisión para que su rendimiento pueda definirse de manera confiable, estas soluciones de transferencia de calor también son cada vez más relevantes para la nanoelectrónica para otros usos. Barako et al. sugieren que, en general, ha surgido un cuello de botella a medida que las tecnologías de gestión térmica van a la zaga del progreso en la reducción del tamaño de los dispositivos que exacerban el calentamiento. Como resultado, las soluciones transferidas de la investigación aeroespacial pueden ser bienvenidas en una variedad de aplicaciones.

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Además de mantener la electrónica para la instrumentación fresca, las misiones espaciales tripuladas también deben estar equipadas para proteger a los humanos de las temperaturas extremas, y aquí nuevamente los PCM pueden ser útiles. La NASA ya ha invertido en el potencial de la tecnología PCM para la regulación térmica de los trajes espaciales. Mientras que muchos PCM se basan en sales hidratadas, los textiles para trajes espaciales utilizan microcápsulas de una combinación de parafinas con diferentes puntos de cristalización y fusión. Global Markets Insights Inc ha pronosticado un compuesto tasa de crecimiento anual del 15.8% en el mercado de PCM en todo el mundo, superando los 4 millones de dólares estadounidenses para 2024. El crecimiento se debe en gran medida a sus beneficios ambientales como alternativas a los calentadores y enfriadores que funcionan con combustibles fósiles, y los textiles contribuyen significativamente a ese crecimiento.

Recubrimientos fríos

Una vez fuera de la atmósfera terrestre, la radiación del Sol se convierte en un importante problema de gestión térmica. Los mosaicos de cuarzo tradicionales se utilizan como reflectores solares, pero si bien brindan excelentes propiedades térmicas para irradiar el calor de la nave espacial y reflejar el calor del Sol, son pesados ​​y frágiles. Investigadores de la Universidad de Southampton han desarrollado ahora un revestimiento para satélites y exteriores de cohetes que reduce la carga de masa y es más fácil de aplicar en superficies curvas o incluso flexibles. Utilizan un metamaterial de ZnO dopado con aluminio que combina la plasmónica infrarroja y la alta transparencia visible de los óxidos conductores transparentes para una respuesta espectral de banda ancha. Llegan a la conclusión de que su material proporciona "un nuevo enfoque ultrafino para los radiadores térmicos que eventualmente podría reemplazar las tecnologías convencionales, como las baldosas de cuarzo metalizado para su uso en el espacio".

Oxford nanosistemas también han desarrollado un recubrimiento para la regulación térmica. La suya es una pintura que se seca con una estructura dendrítica a nanoescala, lo que fomenta la formación de burbujas en los fluidos para mejorar el enfriamiento. El mercado inicial de la innovación fueron los sistemas de calderas, pero desde entonces la empresa ha comenzado a investigar la adecuación de su tecnología a una variedad de otros mercados. Como una aplicación de alto costo y bajo volumen, donde la ganancia en la entrega puede justificar las inversiones sustanciales para optimizar el producto, la industria aeroespacial ha surgido como una aplicación potencial tentadora.

Conocimiento caliente

Dejando a un lado la electrónica, el conocimiento de cómo lidiar con temperaturas superiores a varios miles de grados Kelvin resulta ser una habilidad bastante transferible. Cuando Kevin Jordan, ingeniero jefe de BNNT LLC, quiso producir nanotubos de nitruro de boro (BNNT) sin catalizadores para mejorar la calidad y la pureza, necesitaba trabajar a temperaturas de alrededor de 4000 °C. “Tengo un amigo que es científico espacial, así que pudimos trabajar a estas temperaturas”, dice. El enfoque de BNNT LLC permitió la producción de BNNT de mayor calidad a costos que en realidad eran más bajos que sus contrapartes producidas catalíticamente. Si bien la empresa no trabaja directamente con misiones espaciales, la amplia gama de aplicaciones de los BNNT, como aditivos para mejorar propiedades como la estabilidad térmica, las propiedades piezoeléctricas y el blindaje contra la radiación, sugiere un papel plausible en la futura exploración espacial.

Conexiones nuevas y viejas

En su nueva visión para la exploración espacial humana y robótica, la NASA identificó dos requisitos tecnológicos clave para la nanoelectrónica aeroespacial. El primero es la electrónica altamente integrada con más de mil millones de dispositivos por chip para minimizar la masa, un objetivo que parecería favorecer las tecnologías nanoelectrónicas de próxima generación sobre la electrónica tradicional, donde la reducción constante en el tamaño de las características observada en los últimos 1 años ahora está luchando. para seguir el ritmo de La ley de moore. Sin embargo, como señalan Meyya Meyyappan, Jessica E Koehne y Jin-Woo Han del Ames Research Center en un revisión reciente  – en realidad, es más probable que los dispositivos electrónicos a bordo de las misiones al espacio estén “algunas generaciones por detrás del estado de la técnica”, lo que da tiempo para verificar el empaque necesario y la tolerancia a la radiación. La tolerancia a la radiación es el segundo de los dos requisitos tecnológicos clave para la nanoelectrónica aeroespacial.

De hecho, la protección contra la radiación puede dar lugar a la reinvención de tecnologías más antiguas. El transporte de carga en el vacío es inmune al daño por radiación, por lo que si bien el silicio ha reemplazado en su mayoría a la electrónica basada en el vacío para las tecnologías terrestres, las ventajas siguen siendo para el espacio. “Las deficiencias de los dispositivos de vacío incluyen altos voltajes operativos, fragilidad y grandes tamaños en relación con los dispositivos de estado sólido y, como resultado, han desaparecido excepto para aplicaciones de nicho, por ejemplo, en satélites”, explican Meyyappan, Koehne y Han. Sin embargo, aunque la mayor parte de la electrónica de vacío está en la microescala, el equipo de vacío tosco de la década de 1960 se ha mejorado significativamente desde entonces, y Meyyappan, Koehne y Han agregan: "Los esfuerzos para combinar lo mejor del transporte de vacío y la tecnología de silicio han producido dispositivos de vacío a nanoescala con distancias entre electrodos de 50 a 150 nm”. La ausencia de dispersores también hace que el transporte en vacío sea más rápido.

Desde su descubrimiento en 1990, las propiedades de emisión de campo de los nanotubos de carbono han sido un tema persistente de investigación, en particular con la capacidad de producir matrices CNT alineadas verticalmente. Como Valerie J Scott y sus colegas del Jet Propulsion Center y Chevron Energy Technology Company en EE. UU. señalan en su informe en el Nanotecnología colección de enfoque en aeroespacial, "La alta relación de aspecto y las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono (CNT) hacen que estos materiales sean candidatos ideales para su uso como emisores de campo en la electrónica de vacío en miniatura". El inconveniente ha sido la ausencia de una adherencia robusta entre la matriz de CNT y el sustrato, lo que presenta debilidades tanto mecánicas como eléctricas. scott et al. investigar cómo pueden hacer que estos emisores de campo sean menos frágiles. Al hacer crecer los CNT directamente sobre titanio, demuestran que pueden anclarlos más sólidamente al sustrato en lugar de depender de las débiles fuerzas de van der Waals que los unen a los sustratos de silicio. El resultado son voltajes de umbral bajos, factores de mejora de campo altos y vidas útiles prolongadas, con densidades de corriente de 25 mA cm^-2 mantenido durante más de 24 h. También muestran un proceso de transferencia de CNT de silicio pulido a titanio con cobre, lo que ofrece mejoras adicionales en el rendimiento.

Manejo de los rayos

Reseña de Meyyappan, Koehne y Han describe tres tipos diferentes de daños por radiación que afectan a la electrónica en el espacio: efectos de evento único (SEE) de colisiones con una sola partícula energética; efectos a largo plazo definidos por una dosis ionizante total (TID) y el daño por desplazamiento de los átomos de la red fuera de lugar (DD). Si la tecnología alcanza una etapa de madurez suficiente, los transistores de efecto de campo CNT pueden funcionar particularmente bien, ya que tienen un 45 % más de resistencia a los SEE que se propagan a través del circuito (transitorios de evento único) que la electrónica convencional. Siguen siendo susceptibles a TID.

La tecnología de memoria que no depende del transporte de carga también es inmune al daño por radiación, y aquí la revisión señala que los PCM ofrecen una solución potencial. Establecimiento de la fase de materiales de calcogenuro: compuestos de aniones del grupo 16, en particular sulfuros, seleniuros y telururos como Ge₂Sb₂Te₅ – como amorfo o cristalino es una forma de definir 0 y 1 bits lógicos. Hasta ahora, la corriente necesaria para proporcionar la energía térmica para el cambio de fase ha sido una limitación de la memoria de acceso aleatorio de cambio de fase, pero el uso de nanocables como GeTe en lugar de películas delgadas reduce en gran medida la energía necesaria para escribir bits con esta tecnología, lo que alivia las restricciones actuales.

Protegiendo a los vulnerables

Inevitablemente, habrá momentos en los que las opciones de dispositivos resistentes a la radiación no sean suficientes, o en los que los seres humanos estén a cargo del vuelo, y aquí los materiales que protegen eficazmente contra la radiación son cruciales. Como John Yeow y sus colegas de la Universidad de Waterloo y la Agencia Espacial Canadiense señalan en su Colección de enfoque de nanotecnología en el informe aeroespacial., aunque los materiales de elementos con una alta relación de carga a masa atómica absorben mejor la radiación, los átomos más grandes son más propensos a romperse en átomos más pequeños, lo que conduce a un mayor daño por radiación secundaria. El hidrógeno, que tiene la mayor relación carga/masa, es demasiado difícil de almacenar incluso como agua, pero los polímeros que tienen una baja relación carga/masa pero un alto contenido de hidrógeno podrían ser buenos materiales resistentes a la radiación. Sin embargo, los materiales resistentes a la radiación también deben cumplir los estrictos requisitos de resistencia mecánica y térmica de un cohete espacial, y los polímeros son generalmente débiles en términos de propiedades mecánicas y térmicas.

“Numerosos estudios han investigado diferentes tipos de compuestos basados ​​en polímeros para encontrar alternativas ligeras a las aleaciones de aluminio con una resistencia aceptable y un buen rendimiento frente a la radiación”, explican Yeow y sus colegas en su informe. Si bien se ha explorado ampliamente la adición de nanomateriales a los compuestos poliméricos para mejorar las propiedades térmicas y mecánicas, ha habido pocos avances en la identificación de aditivos que también mejoren la resistencia a la radiación. Yeow y sus colegas forman un compuesto a partir de CNT de pared múltiple y metacrilato de polimetilo (PMMA) e informan una reducción de peso del 18-19 % en comparación con las aleaciones de aluminio con y sin CNT. Además, señalan que agregar los CNT mejoró tanto la resistencia mecánica como la resiliencia térmica del material, al mismo tiempo que redujo la generación de radiación de neutrones secundarios hasta en un 5 %.

reparación de radiación

Los efectos del daño por radiación incluyen cambios en los voltajes de umbral, corrientes de excitación y de fuga y, en última instancia, conducen a la falla total del dispositivo. El daño es el resultado de cargas atrapadas y aumenta con su concentración, que los tamaños de dispositivos a nanoescala pueden exacerbar.

En 2016, Jin-Woo Han y Meyya Meyyappan en el Centro de Investigación Ames de la NASA, y Mo Kebaili en KEBAILI Corp. en los EE. UU. desarrollaron un sistema de tratamiento térmico para reparar varios mecanismos de envejecimiento de dispositivos, incluido el TID. "Si la degradación se puede curar durante la vida útil del silicio posprocesado similar a un sistema inmunológico humano, se puede mejorar la confiabilidad y la vida útil del circuito", sugieren en un informe del trabajo. Explican el beneficio de hacer coincidir la temperatura del tratamiento con el daño, mostrando que el recocido a 200 °C durante 3 horas puede recuperar las características de corriente de drenaje versus voltaje de puerta para su dispositivo. Fabrican el microcalentador y el sistema en el chip que está diseñado para reparar por separado, y luego los combinan en una pila, lo que hace que el enfoque sea aplicable a "cualquier dispositivo arbitrario comercial listo para usar". “Espero volar algo como esto a la Luna quizás para 2020”, dice Meyya Meyyappan. Mundo de la física Materiales

En Nanotecnología colección de enfoque en la industria aeroespacial Sedki Amor en la Université Catholique de Louvain y sus colegas en Bélgica y Túnez también analizan la reparación térmica del daño por radiación. Señalan que, si bien el daño es susceptible de reparación cuando se somete a recocido a 300-400 °C durante una hora, o incluso a temperatura ambiente después de un período significativamente más prolongado de más de siete meses, durante un recuperación más rápida que proponen temperaturas más altas con un dispositivo MEMS incorporado. Con sus microplacas de silicona sobre aislante para bajo consumo y in situ Mitigación de recocido, muestran que pueden restaurar el funcionamiento normal del dispositivo en solo 8 minutos.

Lo suficientemente maduro para alcanzar las estrellas

Si bien la tecnología de lo diminuto puede parecer un aliado poco probable para enfrentarse a lo desconocido del espacio, las nanoestructuras claramente tienen mucho que ofrecer cuando se trata de entornos hostiles. Si bien sigue siendo cierto que el nivel de inversión requerido para cada misión desalienta el juego con nuevas tecnologías, los campos comparativamente maduros de las tecnologías CNT y PCM están reclamando cada vez más su papel en la exploración espacial. El factor push-pull identificado por Samareh y Siochi tiene relevancia para todas las posibles nanotecnologías aeroespaciales, y lo que finalmente se incorpore en las misiones espaciales dependerá de si las ventajas aparentes coinciden con las necesidades de aquellos en el sector aeroespacial encargados de la optimización para misiones espaciales. Sin embargo, el gran volumen de nanotecnologías alternativas prometedoras con potencial en esta esfera sugiere que cuando se trata de grandes proyectos espaciales, el futuro es nano.