ในภาคส่วนวัสดุป้องกันประเทศ การอ้างสิทธิ์มีมากมาย แต่การตรวจสอบมีน้อยมาก วัสดุของ Dr BEL ได้บรรลุสิ่งที่ผู้ก่อตั้งเทคโนโลยีล้ำลึกส่วนใหญ่เพียงแค่สัญญา: การทำงานต่อเนื่อง 13 เดือนในวงโคจรต่ำรอบโลกที่โซนนอกของ Van Allen Belts ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมรังสีที่รุนแรงที่สุดที่วิศวกรรมของมนุษย์สามารถเข้าถึงได้
การตรวจสอบฮาร์ดแวร์อวกาศเป็นสัญญาณการลดความเสี่ยงที่สูงที่สุด วัสดุต้องรอดพ้นจากการสั่นสะเทือนจากการปล่อยจรวด (สูงถึง 14g), การระเหยในสุญญากาศ, การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (-150°C ถึง +120°C), การไหลของออกซิเจนอะตอม, การเสื่อมสภาพจากรังสีอัลตราไวโอเลต และการไหลของรังสีคอสมิกอย่างต่อเนื่อง ไม่มีการจำลองภาคพื้นดินใดที่สามารถจำลองความเครียดจากสภาพแวดล้อมที่รวมกันนี้ได้
การทดลอง ISS/JAXA-Kibo ตรวจสอบไม่เพียงแต่สมรรถนะของวัสดุภายใต้รังสีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความสม่ำเสมอในการผลิต, ความเสถียรของสูตร และความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้สภาวะการทำงาน วัสดุที่กลับมาจากอวกาศในสภาพที่ใช้งานได้มีข้อมูลรับรองการผ่านมาตรฐานที่เป็นไปไม่ได้ที่จะจำลองในห้องปฏิบัติการภาคพื้นดินใดๆ
การกำหนดค่าการทดลอง
| แพลตฟอร์ม | สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) |
|---|---|
| โมดูล | โมดูลการทดลองของญี่ปุ่น Kibo |
| สิ่งอำนวยความสะดวก | สิ่งอำนวยความสะดวกที่เปิดเผย (JEM-EF) |
| ฮาร์ดแวร์ | กลไกการติดตั้งราวจับสำหรับการทดลองที่เปิดเผย (ExHAM) |
| หมายเลขการทดลอง | 8071 |
| ระยะเวลาการเปิดรับ | 13 เดือน (พฤศจิกายน 2018 – ธันวาคม 2019) |
| ความสูงวงโคจร | ~400 กม. (วงโคจรต่ำรอบโลก) |
| สภาพแวดล้อมรังสี | โซนนอกของ Van Allen Belt, การผ่าน South Atlantic Anomaly |
ระบบวัสดุ
วัสดุหลัก: นาโนคอมโพสิต PMMA/Colemanite (Ca2B6O11·5H2O)
สถาปัตยกรรม: เมทริกซ์โพลิเมอร์เสริมแรงด้วยนาโนอนุภาคบอรอนออกไซด์
หน้าที่: การป้องกันรังสีผ่านการทำให้นิวตรอนเย็นตัวและการลดทอนรังสีแกมมาผ่านพื้นที่หน้าตัดบอรอนที่สูง
การเปิดรับสภาพแวดล้อม
- สุญญากาศ: <10⁻⁶ ทอร์ร์อย่างต่อเนื่อง
- การหมุนเวียนความร้อน: -150°C ถึง +120°C (รอบวงโคจร 90 นาที)
- การไหลของออกซิเจนอะตอม: ~2×10²⁰ อะตอม/ซม.² (เทียบเท่า 1+ ปีในวงโคจรต่ำรอบโลก)
- รังสีคอสมิก: โปรตอนจาก Van Allen Belt, รังสีคอสมิกจากกาแลคซี, เหตุการณ์อนุภาคจากดวงอาทิตย์
- รังสีอัลตราไวโอเลต: รังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ที่ไม่ผ่านการกรอง รวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลตในสุญญากาศ <200nm
ผลลัพธ์ประสิทธิภาพที่ผ่านการตรวจสอบ
| ตัวชี้วัดประสิทธิภาพ | ผลลัพธ์ที่ผ่านการตรวจสอบ |
|---|---|
| การปรับปรุงการป้องกันรังสีแกมมา | การปรับปรุง 11.1% เทียบกับ PMMA พื้นฐาน |
| การเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันนิวตรอน | การเพิ่มประสิทธิภาพ 38.56% เทียบกับ PMMA พื้นฐาน |
| ประสิทธิภาพการลดทอนเบตา | ผ่านการตรวจสอบในสภาพแวดล้อมโปรตอน/อิเล็กตรอนของ Van Allen Belt |
| ความสมบูรณ์ของโครงสร้างวัสดุ | รักษาไว้ตลอดการเปิดรับ 13 เดือน—ไม่มีการแยกชั้น การแตกร้าว หรือการสูญเสียมวลที่สำคัญ |
| การรักษาคุณสมบัติทางแสง | คุณลักษณะการส่งผ่านแสงได้รับการรักษาไว้หลังการเปิดรับ |
| ความต้านทานต่อออกซิเจนอะตอม | การถอยกลับของพื้นผิวอยู่ในพารามิเตอร์ที่ยอมรับได้สำหรับระยะเวลาภารกิจในวงโคจรต่ำรอบโลก |
ความสำคัญทางเทคนิค
การเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันนิวตรอน 38.56% มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานในอวกาศ รังสีนิวตรอนซึ่งส่วนใหญ่มาจากปฏิกิริยาของรังสีคอสมิกจากกาแลคซีกับโครงสร้างยานอวกาศ เป็นปัญหาการป้องกันที่ท้าทายที่สุดในการเดินทางของมนุษย์ในอวกาศ พื้นที่หน้าตัดการจับนิวตรอนที่สูงของบอรอน-10 (3,840 barns สำหรับนิวตรอนความร้อน) ช่วยให้สามารถทำให้เย็นตัวและดูดซับได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่มีผลลบจากมวลของตัวทำให้ช้าพอลิเอทิลีนแบบดั้งเดิม
การปรับปรุงรังสีแกมมา 11.1% แสดงให้เห็นว่าการกระจายนาโนอนุภาค colemanite ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพมากกว่าการลดทอนคุณลักษณะการลดทอนโฟตอนของเมทริกซ์ ซึ่งเป็นจุดตรวจสอบที่สำคัญสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมรังสีหลายประเภท
ความท้าทายของสภาพแวดล้อมอวกาศ
การรับรองมาตรฐานอวกาศเป็นมาตรฐานทองคำในการตรวจสอบวัสดุ
สภาพแวดล้อมรังสี
ISS โคจรภายในและต่ำกว่าเข็มขัดรังสี Van Allen โดยได้รับการเปิดรับอย่างต่อเนื่องกับ:
- โปรตอนที่ติดกับดัก (ฟลักซ์สูงสุดที่ 200-600 กม.)
- อิเล็กตรอนที่ติดกับดัก (เข็มขัดชั้นในและชั้นนอก)
- รังสีคอสมิกจากกาแลคซี (ไอออนหนักถึงเหล็ก)
- อนุภาคพลังงานจากดวงอาทิตย์
- การผ่าน South Atlantic Anomaly
อุณหภูมิสุดขั้ว
ISS ประสบกับพระอาทิตย์ขึ้นและตก 16 ครั้งต่อวัน วัสดุบนสิ่งอำนวยความสะดวกที่เปิดเผยจะหมุนเวียนระหว่างประมาณ -150°C (เมื่อเกิดสุริยุปราคา) และ +120°C (แสงแดดโดยตรง) ทุกๆ 90 นาที
การหมุนเวียนความร้อนนี้ซึ่งมากกว่า 5,000 รอบในระหว่างภารกิจ 13 เดือน ทดสอบความเหนื่อยล้าของวัสดุ, ความไม่ตรงกันของ CTE ที่จุดติดต่อ และความสมบูรณ์ของโครงสร้างในรูปแบบที่เป็นไปไม่ได้ที่จะจำลองบนพื้นดิน
ออกซิเจนอะตอม
วงโคจรต่ำรอบโลกมีออกซิเจนอะตอมตกค้างในความหนาแน่นที่เพียงพอ (~10⁸ อะตอม/ซม.³ ที่ 400 กม.) เพื่อทำให้เกิดการกัดกร่อนพื้นผิวที่สำคัญของวัสดุอินทรีย์
โพลิเมอร์ที่รอดพ้นจากการเปิดรับในวงโคจรต่ำรอบโลกโดยไม่มีการเคลือบป้องกันมีความต้านทานโดยธรรมชาติต่อการเสื่อมสภาพจากออกซิเดชัน ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่มีคุณค่าสำหรับการใช้งานระยะยาว
องค์กรที่ร่วมมือ
องค์การสำรวจอวกาศแห่งประเทศญี่ปุ่น (JAXA)
บทบาท: การดำเนินการโมดูล Kibo, การจัดหาฮาร์ดแวร์ ExHAM, โลจิสติกการส่งกลับตัวอย่าง, การประสานงานการทดลอง
การมีส่วนร่วม: การเข้าถึงแพลตฟอร์มการเปิดรับภายนอกของ ISS, การสนับสนุนการวิเคราะห์ตัวอย่างหลังการบิน
หน่วยงานอวกาศตุรกี (TUA)
บทบาท: การประสานงานระดับชาติ, การสนับสนุนด้านกฎระเบียบ, การอำนวยความสะดวกในข้อตกลงระหว่างประเทศ
การมีส่วนร่วม: กรอบความร่วมมืออวกาศระหว่างรัฐบาลที่ช่วยให้การวิจัยของตุรกีเข้าถึงสิ่งอำนวยความสะดวกของ ISS
มหาวิทยาลัยเทคนิคอิสตันบูล (ITU)
บทบาท: สถาบันวิชาการหลัก, การเข้าถึงสิ่งอำนวยความสะดวก, การระบุลักษณะวัสดุ
ภาควิชา: สถาบันพลังงาน, วิศวกรรมวัสดุ
การมีส่วนร่วม: การเตรียมก่อนการบิน, การระบุลักษณะรังสีหลังการบิน, การดูแลวิทยานิพนธ์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี PETRONAS (มาเลเซีย)
บทบาท: ความร่วมมือด้านการวิจัยระหว่างประเทศ
การมีส่วนร่วม: แม่เหล็กวัดตัวอย่างสั่นสะเทือน (VSM) สำหรับการระบุลักษณะแม่เหล็ก, สเปกโตรสโคปีรามานสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้างโมเลกุล
การนำเสนอระดับนานาชาติ a regional space forum
Dr Tayfun BEL นำเสนอ "ประสบการณ์ของตุรกีกับ ISS-KIBO" ที่เวทีหน่วยงานอวกาศภูมิภาคเอเชีย-แปซิฟิกครั้งที่ 26 (a regional space forum), กลุ่มงานการใช้ประโยชน์สภาพแวดล้อมอวกาศ, หอประชุม Nagoya, ญี่ปุ่น, 26 พฤศจิกายน 2019
การประชุมนี้จัดให้ Dr BEL อยู่ร่วมกับผู้แทนจาก:
ญี่ปุ่น
สหรัฐอเมริกา
สาธารณรัฐเกาหลี
ไทย
อินโดนีเซีย
ตุรกี
จากมรดกอวกาศสู่ผลิตภัณฑ์ป้องกันประเทศ
ข้อมูลเชิงลึกด้านวัสดุศาสตร์ที่ผ่านการตรวจสอบผ่าน ISS สนับสนุนผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ของ Belvyon โดยตรง
หลังคาวัสดุอัจฉริยะ VELON-G
ความเสถียรของเมทริกซ์โพลิเมอร์ภายใต้รังสีและการหมุนเวียนความร้อนผ่านการตรวจสอบจากมรดก ISS สถาปัตยกรรมที่ใช้ PMMA เป็นฐานเดียวกัน ซึ่งตอนนี้ได้รับการปรับปรุงด้วยการรวมเมทาแมทีเรียล graphene-ITO แสดงให้เห็นถึงความมั่นใจในความสามารถในการทำงานระยะยาวสำหรับการใช้งานหลังคาเครื่องบินรบ
เรียนรู้เพิ่มเติมสับสเตรตแบบนิวโรมอร์ฟิก SYNAPLEX
รากฐานความทนทานต่อรังสีที่สร้างขึ้นผ่านการตรวจสอบนาโนคอมโพสิต colemanite สถาปัตยกรรมฟลูออโรโพลิเมอร์ของ SYNAPLEX สืบทอดหลักการออกแบบจากสูตรโพลิเมอร์ที่ผ่านการรับรองมาตรฐานอวกาศ โดยมุ่งเป้าไปที่ความทนทานต่อปริมาณรังสีรวม >500 kGy สำหรับการใช้งาน AI ในอวกาศ
เรียนรู้เพิ่มเติมเกราะป้องกันกระสุน TOPSPOT
หลักการวิศวกรรมจุดติดต่อโพลิเมอร์-เซรามิกจากคอมโพสิตป้องกันรังสีนำมาใช้กับการป้องกันกระสุน สถาปัตยกรรม FGM (Functionally Graded Material) ได้รับประโยชน์จากความเชี่ยวชาญในการสร้างสูตรเมทริกซ์ที่พัฒนาผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพระบบวัสดุของ ISS
เรียนรู้เพิ่มเติมสิ่งพิมพ์ที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ
สิ่งพิมพ์หลัก
Bel, T., Mehranpour, S., Sengul, A.V., Camtakan, Z., Baydogan, N. "Electron beam penetration of poly (methyl methacrylate)/colemanite composite irradiated at low earth orbit space radiation environment." Wiley Journal — ผลลัพธ์การทดลอง ISS/JAXA-Kibo ExHAM
สิ่งพิมพ์ที่เกี่ยวข้อง
[1] Bel, T., Arslan, C., Baydogan, N. "Radiation Shielding Properties of Poly (Methyl Methacrylate) / Colemanite Composite for the use in Mixed Irradiation Fields of Neutrons and Gamma Rays." Materials Chemistry and Physics (SCI), DOI: 10.1016/j.matchemphys.2018.09.014, September 2018.
[2] Bel, T., Cakar, H., Yahya, N., Arslan, C., Baydogan, N. "Investigation of the Bubble Effect in Lightweight PMMA Polymer." Defect and Diffusion Forum, Vol. 380, pp. 227-231, 2017.
[3] Bel, T., Baydogan, N., Cimenoglu, H. "Chapter 18: Effect of Curing Time on Poly(methacrylate) Living Polymer." Energy Systems and Management, Springer, 2015, pp. 193-198.