Morgendagens rumfartøjer vil blive bygget ved hjælp af avancerede materialer med forbløffende egenskaber.
Lyt til denne historie via streaming audio, en fil til download eller få hjælp.
Sept. 16, 2002: “Det, jeg egentlig leder efter,” siger du til sælgeren, “er en bil, der kører mindst 10.000 miles mellem to tankninger, reparerer sig selv automatisk, kan køre 500 mph og kun vejer et par hundrede pund.”
Mens han står med store øjne, tilføjer du: “Nå ja, og jeg kan kun bruge omkring en fjerdedel af, hvad de andre biler koster.”
dramatisk forbedrede rumfartøjer mulige.
En anmodning som denne vil helt sikkert få dig til at blive grinet ud af en ny bil. Men på mange måder er denne drømmebil en metafor for de rumfartøjer, som vi vil få brug for for at udvide vores udforskning af solsystemet i de kommende årtier. Disse nye rumfartøjer skal være hurtigere, lettere, billigere, mere pålidelige, mere holdbare og mere alsidige, alt sammen på samme tid.
Umuligt? Før du svarer, så tænk på, hvordan en kvægbonde for 200 år siden ville have reageret, hvis en mand havde bedt om at købe en hest, der kunne løbe 160 km/t i timevis, bære hele hans familie og al deres bagage og synge hans yndlingssange for ham hele tiden! I dag kalder vi dem minibusser.
Revolutioner i teknologien – som den industrielle revolution, der erstattede heste med biler – kan gøre det, der synes umuligt i dag, almindeligt i morgen.
En sådan revolution er ved at ske lige nu. Tre af de hurtigst voksende videnskaber i vor tid – bioteknologi, nanoteknologi og informationsteknologi – er i færd med at mødes for at give forskerne en hidtil uset kontrol over stoffet på molekylær skala. Denne intellektuelle guldrush resulterer i en ny klasse af materialer med forbløffende egenskaber, der lyder mere hjemme i en science fiction-roman end på laboratoriearbejdsbænken.
Forestil dig f.eks. et stof med 100 gange stålets styrke, men kun 1/6 af vægten; materialer, der straks heler sig selv, når de bliver punkteret; overflader, der kan “føle” de kræfter, der trykker på dem; ledninger og elektronik så små som molekyler; strukturelle materialer, der også genererer og lagrer elektricitet; og væsker, der øjeblikkeligt kan skifte til faste stoffer og tilbage igen efter behag. Alle disse materialer findes i dag … og flere er på vej.
Med sådanne forbløffende materialer til rådighed begynder det ikke at se så langt ude i fremtiden at bygge det bedre rumfartøj.
Vægt er lig med penge
Den næste generation af rumfartøjer er en udfordring, der afhænger af et par primære spørgsmål. Først og fremmest er det naturligvis omkostningerne.
“Selv hvis alle de tekniske hindringer blev løst i dag, skal udforskningen af vores solsystem stadig være økonomisk overkommelig for at være praktisk gennemførlig”, siger Dr. Neville Marzwell, leder af revolutionerende rumfartsteknologi for NASA’s Next Decadal Planning Team.
Sænkning af omkostningerne ved rumflyvning betyder først og fremmest, at vægten skal reduceres. Hvert pund, der reduceres, er et pund, der ikke behøver fremdrift for at slippe ud af jordens tyngdekraft. Lettere rumskibe kan have mindre, mere effektive motorer og mindre brændstof. Dette sparer igen mere vægt, hvilket skaber en fordelagtig spiral af vægtbesparelser og omkostningsreduktion.
Det er rigtigt: Denne fuldt lastede Saturn V-måneraket vejede 6,2 millioner pund. Den var tung og dyr at opsende.
Det er en udfordring at reducere vægten og samtidig øge sikkerheden, pålideligheden og funktionaliteten. Det er ikke nok bare at udelade dele.
Videnskabsfolk udforsker en række nye teknologier, der kan hjælpe rumfartøjer med at blive slankere. F.eks. kan gossamer-materialer – som er ultratynde film – måske anvendes til antenner eller solcellepaneler i stedet for de mere voluminøse komponenter, der anvendes i dag, eller endda til store solsejl, der giver fremdrift, mens de kun vejer 4 til 6 gram pr. kvadratmeter.
Kompositmaterialer, som f.eks. dem, der anvendes i tennisrackets og golfkøller af kulfiber, har allerede gjort meget for at reducere vægten i rumfartskonstruktioner uden at gå på kompromis med styrken. Men en ny form for kulstof kaldet “kulstofnanorør” lover en dramatisk forbedring i forhold til kompositmaterialer: De bedste kompositmaterialer har 3 eller 4 gange så stor styrke som stål i vægt – for nanorør er det 600 gange!
Gitter af kulstofatomer i et kulstofnanorør “Denne fænomenale styrke kommer fra nanorørernes molekylære struktur”, forklarer Dennis Bushnell, chefforsker ved Langley Research Center (LaRC), NASA’s Center of Excellence for Structures and Materials. De ligner lidt kyllingetråd rullet sammen til en cylinder med kulstofatomer i hvert af sekskantens hjørner.
Typisk er nanorørene ca. 1,2 til 1,4 nanometer i diameter (en nanometer er en milliardedel af en meter), hvilket kun er ca. 10 gange radius af selve kulstofatomerne.
Overst: Gitteret af kulstofatomer i et kulstofnanorør er som et bræt til at hænge andre slags atomer og molekyler op, som giver nanorøret særlige kemiske, elektriske eller termiske egenskaber. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Department of Physics Pennsylvania State University.
Nanorør blev først opdaget i 1991, men allerede nu har den intense interesse i forskersamfundet gjort enorme fremskridt for vores evne til at skabe og bruge nanorør. For kun 2-3 år siden var de længste nanorør, der var blevet fremstillet, omkring 1000 nanometer lange (1 mikron). I dag er forskerne i stand til at dyrke rør, der er op til 200 millioner nanometer (20 cm) lange. Bushnell bemærker, at der er mindst 56 laboratorier rundt om i verden, der arbejder på at masseproducere disse bittesmå rør.
“Der gøres store fremskridt, så fremstilling af bulkmaterialer ved hjælp af nanorør vil sandsynligvis ske”, siger Bushnell. “Det, vi ikke ved, er, hvor meget af denne 600 gange stålets vægtmæssige styrke vil blive manifesteret i et bulkmateriale. Alligevel er nanorørene vores bedste bud.”
Trækstyrken i kulstofnanorør overgår langt den for andre højstyrkematerialerRet: Det er en meget bedre trækstyrke end andre materialer med høj styrke end andre materialer med høj styrke. Bemærk, at hvert trin på den lodrette akse er en potens af 10.
Over at være stærke vil nanorørene sandsynligvis være vigtige for en anden del af planen for vægttab i rumfartøjer: materialer, der kan tjene mere end én funktion.
“Vi plejede at bygge strukturer, der bare var dumme, dødvægtsholdere for aktive dele, såsom sensorer, processorer og instrumenter,” forklarer Marzwell. “Nu har vi ikke brug for det. Holderen kan være en integreret, aktiv del af systemet.”
Forestil dig, at et rumfartøjs krop også kunne lagre strøm, så der ikke længere er behov for tunge batterier. Eller at overfladerne kunne bøje sig selv, så man slipper for separate aktuatorer. Eller at kredsløb kunne være indlejret direkte i rumfartøjets krop. Når materialer kan designes på molekylær skala, bliver sådanne holistiske strukturer mulige.
Rumfartøjsskind
Mennesker kan mærke selv det mindste nålestik overalt på deres krop. Det er en fantastisk selvovervågning, som er mulig, fordi huden indeholder millioner af mikroskopiske nerveender samt nerver til at overføre disse signaler til hjernen.
Sådan kan materialer, der udgør kritiske systemer i et rumskib, indlejres med sensorer i nanometerstørrelse, der konstant overvåger materialernes tilstand. Hvis en del begynder at svigte – dvs. “føles dårligt” – kan disse sensorer advare den centrale computer, inden tragedien indtræffer.
Molekylære ledninger kan overføre signalerne fra alle disse indvævede sensorer til den centrale computer, så man undgår den upraktiske masse af millioner og atter millioner af de nuværende ledninger. Igen kan nanorør være i stand til at udfylde denne rolle. Det er praktisk, at nanorør kan fungere som enten ledere eller halvledere, afhængigt af hvordan de er fremstillet. Forskere har fremstillet molekylære ledninger af andre langstrakte molekyler, hvoraf nogle endda naturligt samler sig selv til nyttige konfigurationer.
Venstre: Dette piezoelektriske materiale, der er udviklet på NASA’s Langley Research Center (LaRC), kan “mærke” deformationer som f.eks. bøjning eller overfladetryk og som reaktion herpå producere en lille spænding, der kan fungere som et signal til en central computer. Billedet er venligst udlånt af NASA’s Morphing Project at LaRC.
Din hud er også i stand til at helbrede sig selv. Tro det eller ej, men nogle avancerede materialer kan gøre det samme. Selvhelbredende materialer fremstillet af langkædede molekyler kaldet ionomerer reagerer på et gennemtrængende objekt, f.eks. en kugle, ved at lukke sig bagved det. Rumskibe kunne bruge sådanne skind, fordi rummet er fyldt med små projektiler – hurtigt bevægelige stykker af skrot fra kometer og asteroider. Hvis et af disse genstande på størrelse med sand eller småsten skulle punktere skibets panser, ville et lag af selvhelbredende materiale holde kabinen lufttæt.
Meteoroider er ikke den eneste fare; rummet er også fyldt med stråling. Rumskibe i lavt kredsløb om Jorden er i høj grad beskyttet af vores planets magnetfelt, som danner en sikker boble på ca. 50.000 km i bredden centreret om Jorden. Uden for denne afstand udgør soludbrud og kosmisk stråling imidlertid en trussel for rumrejsende.
Ret: En soludbrud sprænger energisk stråling ud i rummet.
Videnskabsfolk leder stadig efter en god løsning. Tricket er at sørge for tilstrækkelig afskærmning uden at tilføje masser af ekstra vægt til rumfartøjet. Nogle lette strålingsafskærmningsmaterialer bliver i øjeblikket testet i et forsøg kaldet (MISSE) om bord på den internationale rumstation. Men de vil ikke være nok i sig selv.
Den virkelige skurk er galaktisk kosmisk stråling (GCR), der produceres i fjerne supernovaeksplosioner. Den består til dels af meget tunge positive ioner – som f.eks. jernkerner – der suser af sted med stor hastighed. Kombinationen af høj masse og høj hastighed gør disse små atomare “kanonkugler” meget destruktive. Når de trænger igennem cellerne i menneskers kroppe, kan de smadre DNA’et og føre til sygdom og endda kræft.
“Det viser sig, at de værste materialer, man kan bruge til afskærmning mod GCR, er metaller”, bemærker Bushnell. Når en galaktisk komisk stråle rammer et metalatom, kan den splintre atomets kerne — en proces, der minder om den spaltning, der finder sted i atomkraftværker. Den sekundære stråling, der opstår ved disse kollisioner, kan være værre end den GCR, som metallet skulle afskærme.
Ironisk set er lette grundstoffer som brint og helium det bedste forsvar mod disse GCR-brutanter, fordi kollisioner med dem kun producerer lidt sekundær stråling. Nogle mennesker har foreslået at omgive skibets beboelsesrum med en tank med flydende brint. Ifølge Bushnell ville et 50-100 cm tykt lag flydende brint give en tilstrækkelig afskærmning. Men tanken og det kryogene system vil sandsynligvis være tungt og besværligt.
Her kan nanorør igen være nyttige. Et gitter af kulstofnanorør kan lagre brint ved høje tætheder og uden behov for ekstrem kulde. Så hvis fremtidens rumfartøjer allerede anvender nanorør som et ultralet strukturelt materiale, kunne disse rør så også fyldes med brint som strålingsafskærmning? Forskere undersøger muligheden.
Venstre: Når kosmisk stråling med høj energi rammer astronauternes DNA, kan det forårsage skader, der fører til kræft eller andre strålebetingede sygdomme. Billederne er venligst udlånt af NASA’s Office of Biological and Physical Research.
Går man endnu et skridt videre, kan lag af dette strukturelle materiale være tilsat atomer af andre grundstoffer, der er gode til at filtrere andre former for stråling: bor og lithium til at håndtere neutroner og aluminium til at opsuge elektroner, for eksempel.
Camping Out in the Cosmos
Jordoverfladen er for det meste sikker mod kosmisk stråling, men andre planeter er ikke så heldige. Mars har f.eks. ikke et stærkt globalt magnetfelt til at aflede strålingspartikler, og dens atmosfæriske tæppe er 140 gange tyndere end Jordens. Disse to forskelle gør, at strålingsdosis på Mars’ overflade er ca. en tredjedel så intens som i det ubeskyttede åbne rum. Fremtidige Marsudforskere vil få brug for strålingsafskærmning.
“Vi kan ikke tage de fleste materialer med os til en langsigtet beskyttelsesbygning på grund af vægthensynet. Så en ting, vi arbejder på, er, hvordan vi kan lave strålingsafskærmende materialer af de elementer, som vi finder der,” siger Sheila Thibeault, en forsker på LaRC, der har specialiseret sig i strålingsafskærmning.
Ret: Astronauter, der slår lejr på Mars, vil have brug for beskyttelse mod stråling fra rummet. Image credit:Frassanito and Associates, Inc.
En mulig løsning er “Marsbrikker”. Thibeault forklarer: “Astronauter kunne fremstille strålingsresistente mursten af materialer, der er tilgængelige lokalt på Mars, og bruge dem til at bygge beskyttelsesrum.” De kunne f.eks. kombinere den sandlignende “regolit”, der dækker Mars’ overflade, med en polymer, der er fremstillet på stedet af kuldioxid og vand, som begge findes i rigelige mængder på den røde planet. Ved at zappe denne blanding med mikrobølger kan man skabe plastiklignende mursten, der fungerer som en god strålingsafskærmning.
“Ved at bruge mikrobølger kan vi lave disse mursten hurtigt og med meget lidt energi eller udstyr”, forklarer hun. “Og den polymer, vi vil bruge, øger de strålingsafskærmende egenskaber i regolitten.”
Mars-rummene vil have brug for pålideligheden af selvfølende materialer, holdbarheden af selvhelbredende materialer og vægtbesparelsen af multifunktionelle materialer. Med andre ord har et hus på Mars og et godt rumfartøj brug for mange af de samme ting. Alle disse ting overvejer forskerne, siger Thibeault.
Folkene derhjemme
Mindemenneskelige avancerede materialer vil også være nyttige på Jorden.
“NASA’s forskning er bestemt fokuseret på rumfartøjer,” bemærker Anna McGowan, leder af NASA’s Morphing Project (en forskningsindsats inden for avancerede materialer på Langley Research Center). “Men den grundlæggende videnskab kunne bruges på mange andre områder. Der kunne være millioner af afledte effekter.”
Venstre: Fremstillet af intelligente materialer kan morgendagens fly have selvbøjende vinger, der fungerer uden flaps – hvilket reducerer luftmodstanden og sænker brændstofomkostningerne.
Men ikke endnu. De fleste avancerede materialer mangler den tekniske raffinement, der er nødvendig for at opnå et poleret, robust produkt. De er ikke klar til primetime. Alligevel, siger forskerne, er det kun et spørgsmål om tid: På et tidspunkt vil bilforhandleren holde op med at grine … og begynde at sælge din drømmemaskine fra rumalderen.
Weblinks
Buck Rogers, Watch Out! — Science@NASA-artikel: NASA-forskere studerer insekter og fugle og bruger “intelligente” materialer med uhyggelige egenskaber til at udvikle nye og forbløffende flydesigns.
Samples of the Future — Science@NASA artikel: Morgendagens avancerede rumskibe vil blive udformet af helt specielle materialer med ekstraordinær modstandsdygtighed over for det barske miljø i rummet. Materials International Space Station Experiment (MISSE) har til formål at finde ud af, hvilke materialer der fungerer bedst.
Ret: MISSE stikker ud i rummet uden for den internationale rumstation, med den opgående sol i baggrunden.
Digging in and taking cover — Science@NASA artikel: Jord fra Månen og Mars kan give strålingsafskærmning til besætninger på fremtidige missioner. Se også “Making Mars Bricks.”
Center for Nanotechnology (CNT) — på NASA’s Ames Research Center.
Needs of future missions — liste over teknologier, der er nødvendige for fremtidige rumforskning, og nogle mulige løsninger, fra CNT.
Nanotube Links: Nanorør & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Forskning inden for molekylær elektronik: en transistor i nanoskala fra IBM; en simpel logisk gate fremstillet af nanotråde; et nanorør, der kan tilpasses til ledninger eller strukturer fra Purdue University.
Rumvejr på Mars — Science@NASA-artikel: Fremtidige menneskelige opdagelsesrejsende på Mars kan efterlade deres paraplyer på Jorden, men måske bør de ikke glemme deres geigertællere! Et NASA-eksperiment, der er på vej til den røde planet, har til formål at finde ud af det.
Skriv et svar