در بخش مواد دفاعی، ادعاها فراوان است اما اعتبارسنجی نادر. مواد دکتر BEL آنچه را که اکثر بنیانگذاران تکنولوژی عمیق تنها وعده میدهند، به دست آوردهاند: ۱۳ ماه عملیات مداوم در مدار پایین زمین در منطقه بیرونی کمربندهای ون آلن—سختترین محیط تشعشعی قابل دسترس برای مهندسی بشر.
اعتبارسنجی سختافزار فضایی نشاندهنده نهاییترین سیگنال کاهش ریسک است. مواد باید از لرزش پرتاب (تا ۱۴g)، خروج گاز در خلاء، چرخه حرارتی (۱۵۰- درجه سانتیگراد تا ۱۲۰+ درجه سانتیگراد)، شار اکسیژن اتمی، تخریب فرابنفش و شار مداوم تشعشعات کیهانی جان سالم به در ببرند. هیچ شبیهسازی زمینی وجود ندارد که این ترکیب از تنشهای محیطی را بازتولید کند.
آزمایش ISS/JAXA-Kibo نه تنها عملکرد مواد تحت تشعشع، بلکه ثبات تولید، پایداری فرمولاسیون و یکپارچگی ساختاری تحت شرایط عملیاتی را تأیید میکند. موادی که به صورت کاربردی از فضا بازمیگردند، اعتبارنامههای واجد شرایط اثبات شدهای دارند که در هیچ آزمایشگاه زمینی غیرقابل تکرار است.
پیکربندی آزمایش
| پلتفرم | ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS) |
|---|---|
| ماژول | ماژول آزمایش ژاپنی Kibo |
| تسهیلات | تسهیلات در معرض (JEM-EF) |
| سختافزار | مکانیسم اتصال دستگیره آزمایش در معرض (ExHAM) |
| شناسه آزمایش | ۸۰۷۱ |
| مدت زمان قرارگیری | ۱۳ ماه (نوامبر ۲۰۱۸ – دسامبر ۲۰۱۹) |
| ارتفاع مداری | حدود ۴۰۰ کیلومتر (مدار پایین زمین) |
| محیط تشعشعی | منطقه بیرونی کمربند ون آلن، عبور از ناهنجاری جنوب اقیانوس اطلس |
سیستم مواد
ماده اولیه: نانوکامپوزیت PMMA/Colemanite (Ca2B6O11·5H2O)
معماری: ماتریس پلیمری تقویت شده با نانوذرات اکسید بور
عملکرد: حفاظ تشعشعی از طریق گرمایش نوترون و تضعیف گاما با سطح مقطع بالای بور
قرارگیری در معرض محیط
- خلاء: کمتر از ⁶−۱۰ تور پیوسته
- چرخه حرارتی: ۱۵۰− درجه سانتیگراد تا ۱۲۰+ درجه سانتیگراد (دوره مداری ۹۰ دقیقهای)
- شار اکسیژن اتمی: حدود ۲×۱۰²⁰ اتم/cm² (معادل ۱+ سال LEO)
- تشعشعات کیهانی: پروتونهای کمربند ون آلن، پرتوهای کیهانی کهکشانی، رویدادهای ذرات خورشیدی
- تشعشع فرابنفش: فرابنفش خورشیدی فیلتر نشده شامل فرابنفش خلاء کمتر از ۲۰۰ نانومتر
نتایج عملکرد تأیید شده
| معیار عملکرد | نتیجه تأیید شده |
|---|---|
| بهبود حفاظ پرتو گاما | ۱۱.۱٪ بهبود نسبت به PMMA پایه |
| تقویت حفاظ نوترونی | ۳۸.۵۶٪ تقویت نسبت به PMMA پایه |
| عملکرد تضعیف بتا | تأیید شده در محیط پروتون/الکترون کمربند ون آلن |
| یکپارچگی ساختاری مواد | حفظ شده طی ۱۳ ماه قرارگیری—بدون لایهلایه شدن، ترک یا کاهش جرم قابل توجه |
| حفظ خواص نوری | ویژگیهای انتقال حفظ شده پس از قرارگیری |
| مقاومت در برابر اکسیژن اتمی | عقبنشینی سطح در پارامترهای قابل قبول برای مدت ماموریت LEO |
اهمیت فنی
تقویت ۳۸.۵۶٪ حفاظ نوترونی به ویژه برای کاربردهای فضایی اهمیت دارد. تشعشع نوترونی—عمدتاً از تعاملات پرتوهای کیهانی کهکشانی با ساختارهای فضاپیما—دشوارترین مشکل حفاظ در پروازهای فضایی انسانی را نشان میدهد. سطح مقطع جذب نوترونی بالای بور-۱۰ (۳,۸۴۰ بارن برای نوترونهای حرارتی) گرمایش و جذب مؤثر را بدون جریمه جرمی تعدیلکنندههای سنتی پلیاتیلن امکانپذیر میکند.
بهبود ۱۱.۱٪ پرتو گاما نشان میدهد که پراکندگی نانوذرات کلمانیت به جای به خطر انداختن، ویژگیهای تضعیف فوتون ماتریس را تقویت میکند—نقطه اعتبارسنجی حیاتی برای کاربردهای محیط چند تشعشعی.
چالش محیط فضایی
واجد شرایط بودن فضایی نماینده استاندارد طلایی در اعتبارسنجی مواد است
محیط تشعشعی
ISS در درون و زیر کمربندهای تشعشعی ون آلن به مدار میگردد و به طور مداوم در معرض موارد زیر قرار میگیرد:
- پروتونهای به دام افتاده (شار اوج در ۲۰۰-۶۰۰ کیلومتر)
- الکترونهای به دام افتاده (کمربند داخلی و خارجی)
- پرتوهای کیهانی کهکشانی (یونهای سنگین تا آهن)
- ذرات پرانرژی خورشیدی
- عبور از ناهنجاری جنوب اقیانوس اطلس
دماهای شدید
ISS در روز ۱۶ طلوع و غروب خورشید را تجربه میکند. مواد در تسهیلات در معرض هر ۹۰ دقیقه بین تقریباً ۱۵۰− درجه سانتیگراد (خسوف) و ۱۲۰+ درجه سانتیگراد (نور مستقیم خورشید) چرخه میکنند.
این چرخه حرارتی—بیش از ۵,۰۰۰ چرخه طی یک ماموریت ۱۳ ماهه—خستگی مواد، عدم تطابق CTE در رابطها و یکپارچگی ساختاری را به روشهایی آزمایش میکند که بازتولید زمینی آن غیرممکن است.
اکسیژن اتمی
مدار پایین زمین حاوی اکسیژن اتمی باقیمانده با چگالی کافی (حدود ۱۰⁸ اتم/cm³ در ۴۰۰ کیلومتر) است که باعث فرسایش قابل توجه سطح مواد آلی میشود.
پلیمرهایی که بدون پوششهای محافظ از قرارگیری LEO جان سالم به در میبرند، مقاومت ذاتی در برابر تخریب اکسایشی دارند—ویژگی ارزشمندی برای کاربردهای طولانی مدت.
سازمانهای همکار
آژانس کاوش هوافضای ژاپن (JAXA)
نقش: عملیات ماژول Kibo، تأمین سختافزار ExHAM، لجستیک بازگشت نمونه، هماهنگی آزمایش
مشارکت: دسترسی به پلتفرم قرارگیری خارجی ISS، پشتیبانی تجزیه و تحلیل نمونه پس از پرواز
آژانس فضایی ترکیه (TUA)
نقش: هماهنگی ملی، پشتیبانی نظارتی، تسهیل توافق بینالمللی
مشارکت: چارچوب همکاری فضایی دولت به دولت که دسترسی تحقیقات ترکیه به تسهیلات ISS را امکانپذیر میکند
دانشگاه فنی استانبول (ITU)
نقش: مؤسسه خانگی دانشگاهی، دسترسی به تسهیلات، مشخصسازی مواد
بخشها: موسسه انرژی، مهندسی مواد
مشارکت: آمادهسازی قبل از پرواز، مشخصسازی تشعشع پس از پرواز، سرپرستی پایاننامه
دانشگاه فناوری پتروناس (مالزی)
نقش: همکاری تحقیقاتی بینالمللی
مشارکت: مغناطیسسنجی نمونه ارتعاشی (VSM) برای مشخصسازی مغناطیسی، طیفسنجی رامان برای تجزیه و تحلیل ساختار مولکولی
ارائه بینالمللی a regional space forum
دکتر طیفون BEL "تجربه ترکیه از ISS-KIBO" را در بیست و ششمین انجمن منطقهای آژانس فضایی آسیا-اقیانوسیه (a regional space forum)، گروه کاری بهرهبرداری از محیط فضایی، سالن کنوانسیون ناگویا، ژاپن، ۲۶ نوامبر ۲۰۱۹ ارائه داد.
این جلسه دکتر BEL را در کنار نمایندگان از کشورهای زیر قرار داد:
ژاپن
آمریکا
جمهوری کره
تایلند
اندونزی
ترکیه
از میراث فضایی تا محصولات دفاعی
بینشهای علوم مواد تأیید شده از طریق ISS مستقیماً محصولات تجاری Belvyon را اطلاعرسانی میکند
سایبان مواد هوشمند VELON-G
پایداری ماتریس پلیمری تحت تشعشع و چرخه حرارتی از طریق میراث ISS تأیید شده است. همان معماری مبتنی بر PMMA—که اکنون با گنجاندن متامواد گرافن-ITO تقویت شده—اعتماد به بقای عملیاتی طولانی مدت برای کاربردهای سایبان جنگنده را نشان میدهد.
اطلاعات بیشتربستر نوروومورفیک SYNAPLEX
پایههای تحمل تشعشع از طریق اعتبارسنجی نانوکامپوزیت کلمانیت ایجاد شده است. معماری فلوروپلیمری SYNAPLEX اصول طراحی را از فرمولاسیونهای پلیمری واجد شرایط فضایی به ارث میبرد و تحمل دوز کل بیش از ۵۰۰ kGy را برای کاربردهای هوش مصنوعی مبتنی بر فضا هدف قرار میدهد.
اطلاعات بیشترزره بالستیک TOPSPOT
اصول مهندسی رابط پلیمر-سرامیک از کامپوزیتهای حفاظ تشعشعی برای حفاظت بالستیک اعمال شده است. معماری FGM (مواد متدرج عملکردی) از تخصص فرمولاسیون ماتریس توسعه یافته از طریق بهینهسازی سیستم مواد ISS بهره میبرد.
اطلاعات بیشترانتشارات داوری شده توسط همتایان
انتشار اولیه
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 — ISS/JAXA-Kibo ExHAM experiment results.
انتشارات مرتبط
[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.