Morgondagens rymdfarkoster kommer att byggas med hjälp av avancerade material med häpnadsväckande egenskaper.
Lyssna på den här berättelsen via strömmande ljud, en nedladdningsbar fil eller få hjälp.
Sept. 16, 2002: ”Vad jag egentligen letar efter”, säger du till försäljaren, ”är en bil som klarar minst 10 000 mil mellan två tankningar, som reparerar sig själv automatiskt, som går i 500 km/h och som bara väger ett par hundra kilo.”
När han står där med uppspärrade ögon lägger du till: ”Javisst, och jag kan bara spendera ungefär en fjärdedel av vad de här andra bilarna kostar.”
dramatiskt förbättrade rymdfarkoster.
En sådan begäran kommer garanterat att få dig att skratta bort från en ny bil. Men på många sätt är denna drömbil en metafor för de rymdfordon som vi kommer att behöva för att utöka vår utforskning av solsystemet under de kommande decennierna. Dessa nya rymdfarkoster kommer att behöva vara snabbare, lättare, billigare, mer tillförlitliga, mer hållbara och mer mångsidiga, allt på samma gång.
Omöjligt? Innan du svarar, tänk på hur en boskapsskötare för 200 år sedan skulle ha reagerat om en man hade bett att få köpa en häst som kunde springa i 160 km/h i flera timmar i sträck, bära hela hans familj och allt deras bagage och sjunga hans favoritsånger för honom hela tiden! I dag kallar vi dem minibussar.
Tekniska revolutioner – som den industriella revolutionen som ersatte hästar med bilar – kan göra det som verkar omöjligt i dag vardagligt i morgon.
En sådan revolution sker just nu. Tre av de snabbast växande vetenskaperna i vår tid – bioteknik, nanoteknik och informationsteknik – sammanstrålar för att ge forskarna en aldrig tidigare skådad kontroll över materia på molekylär nivå. Ur detta intellektuella guldregn växer en ny klass av material med häpnadsväckande egenskaper som låter mer hemma i en science fiction-roman än på laboratoriebänken.
Föreställ dig till exempel ett ämne som är 100 gånger starkare än stål, men som bara väger en sjättedel av stålets vikt; material som omedelbart läker sig själva när de punkteras; ytor som kan ”känna” de krafter som trycker på dem; ledningar och elektronik som är lika små som molekyler; strukturella material som också genererar och lagrar elektricitet; och vätskor som omedelbart kan övergå till fasta ämnen och tillbaka igen när de så önskar. Alla dessa material finns idag … och fler är på väg.
Med sådana häpnadsväckande material till hands börjar byggandet av bättre rymdfarkoster inte se så långsökt ut trots allt.
Vikt är lika med pengar
Utmaningen med nästa generations rymdfarkoster hänger ihop med några få primära frågor. Först och främst är naturligtvis kostnaden.
”Även om alla tekniska hinder hade lösts i dag måste utforskningen av vårt solsystem fortfarande vara ekonomiskt överkomlig för att vara praktiskt genomförbar”, säger Dr. Neville Marzwell, chef för revolutionär flyg- och rymdteknik i NASA:s nästa decennieplaneringsteam.
Att sänka kostnaden för rymdflygning innebär i första hand att minska vikten. Varje kilo som minskas är ett kilo som inte behöver drivkraft för att fly från jordens gravitation. Lättare rymdskepp kan ha mindre, effektivare motorer och mindre bränsle. Detta sparar i sin tur mer vikt, vilket skapar en fördelaktig spiral av viktbesparingar och kostnadsminskningar.
Ja: Denna fulladdade Saturn V månraket vägde 6,2 miljoner pund. Den var tung och dyr att skjuta upp.
Utmaningen är att minska vikten och samtidigt öka säkerheten, tillförlitligheten och funktionaliteten. Det räcker inte att bara lämna bort delar.
Vetenskapsmän utforskar en rad nya tekniker som kan hjälpa rymdfarkoster att bli smalare. Till exempel skulle gossamer-material – ultratunna filmer – kunna användas för antenner eller solcellspaneler i stället för de skrymmande komponenter som används i dag, eller till och med för enorma solsegel som ger framdrivning samtidigt som de bara väger 4-6 gram per kvadratmeter.
Kompositmaterial, som de som används i tennisracketar och golfklubbor av kolfiber, har redan bidragit till att sänka vikten i flygplanskonstruktioner utan att kompromissa med hållfastheten. Men en ny form av kol som kallas ”kolnanorör” lovar en dramatisk förbättring av kompositmaterial: De bästa kompositerna har 3 eller 4 gånger stålets styrka i vikt – för nanorör är det 600 gånger!
”Denna fenomenala styrka kommer från nanorörens molekylära struktur”, förklarar Dennis Bushnell, chefforskare vid Langley Research Center (LaRC), NASA:s Center of Excellence for Structures and Materials. De ser lite ut som kycklingtråd som rullats ihop till en cylinder med kolatomer i varje hörn av sexkanterna.
Typiskt sett är nanorör ungefär 1,2 till 1,4 nanometer breda (en nanometer är en miljarddel av en meter), vilket bara är ungefär 10 gånger radien för själva kolatomerna.
Ovanför: Gittret av kolatomer i ett kolnanorör är som en pinnbräda för att hänga upp andra typer av atomer och molekyler för att ge nanoröret speciella kemiska, elektriska eller termiska egenskaper. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Department of Physics Pennsylvania State University.
Nanorör upptäcktes först 1991, men redan det intensiva intresset i forskarsamhället har gjort att vår förmåga att skapa och använda nanorör har utvecklats enormt. För bara två till tre år sedan var de längsta nanorör som hade tillverkats ungefär 1000 nanometer långa (1 mikrometer). I dag kan forskarna odla rör som är så långa som 200 miljoner nanometer (20 cm). Bushnell noterar att det finns minst 56 laboratorier runt om i världen som arbetar med att massproducera dessa små rör.
”Stora framsteg görs, så att göra bulkmaterial med hjälp av nanorör kommer förmodligen att ske”, säger Bushnell. ”Vad vi inte vet är hur mycket av dessa 600 gånger stålets styrka i vikt som kommer att manifesteras i ett bulkmaterial. Nanorör är ändå vår bästa chansning.”
Ja: Kolnanorörens draghållfasthet är mycket bättre än andra höghållfasta material. Observera att varje steg på den vertikala axeln är en tiopotens.
Nanorör kommer sannolikt att vara viktiga för en annan del av planen för viktminskning av rymdfarkoster: material som kan fylla mer än bara en funktion.
”Vi brukade bygga strukturer som bara var stumma, dödviktshållare för aktiva delar, till exempel sensorer, processorer och instrument”, förklarar Marzwell. ”Nu behöver vi inte det. Hållaren kan vara en integrerad, aktiv del av systemet.”
Föreställ dig att en rymdfarkosts kropp också skulle kunna lagra energi, vilket gör att vi slipper tunga batterier. Eller att ytor skulle kunna böja sig själva, vilket gör att man slipper separata ställdon. Eller att kretsar skulle kunna vara inbäddade direkt i rymdfarkostens kropp. När material kan utformas på molekylär nivå blir sådana holistiska strukturer möjliga.
Rymdfarkostskinn
Människor kan känna minsta nålstick var som helst på sina kroppar. Det är en fantastisk självövervakning som är möjlig eftersom huden innehåller miljontals mikroskopiska nervändar och nerver som transporterar signalerna till hjärnan.
På samma sätt skulle material som utgör kritiska system i ett rymdskepp kunna vara inbäddade med sensorer i nanometerskala som ständigt övervakar materialens tillstånd. Om någon del börjar svikta – det vill säga ”känns dåligt” – skulle dessa sensorer kunna varna den centrala datorn innan tragedin inträffar.
Molekylära ledningar skulle kunna bära signalerna från alla dessa invävda sensorer till den centrala datorn, och på så sätt undvika den opraktiska mängden av miljontals och åter miljontals av dagens ledningar. Även här kan nanorör komma att spela denna roll. Det är praktiskt att nanorör kan fungera som antingen ledare eller halvledare, beroende på hur de tillverkas. Forskare har tillverkat molekylära ledningar av andra långsträckta molekyler, av vilka vissa till och med naturligt sätter ihop sig själva till användbara konfigurationer.
Vänster: Detta piezoelektriska material, som utvecklats vid NASA:s Langley Research Center (LaRC), kan ”känna” deformationer, t.ex. böjning eller yttryck, och som svar producerar det en liten spänning som kan fungera som en signal till en central dator. Bilden är en artighet av NASA:s Morphing Project vid LaRC.
Din hud kan också läka sig själv. Tro det eller ej, men vissa avancerade material kan göra samma sak. Självläkande material tillverkade av långkedjiga molekyler som kallas ionomer reagerar på ett genomträngande föremål, t.ex. en kula, genom att stänga sig bakom det. Rymdskepp skulle kunna använda sådana skinn eftersom rymden är full av små projektiler – snabbt rörliga spillror från kometer och asteroider. Om ett av dessa sand- eller småstenstora föremål skulle punktera skeppets pansar skulle ett lager självläkande material hålla kabinen lufttät.
Meteoroider är inte den enda faran; rymden är också fylld av strålning. Rymdskepp i låg omloppsbana runt jorden är i hög grad skyddade av vår planets magnetfält, som bildar en säker bubbla som är cirka 50 000 km bred och centrerad kring jorden. Utanför det avståndet utgör dock solutbrott och kosmisk strålning ett hot mot rymdresenärer.
Högre: Ett solutbrott spränger energisk strålning ut i rymden.
Vetenskapsmännen letar fortfarande efter en bra lösning. Tricket är att ge tillräcklig avskärmning utan att lägga mycket extra vikt på rymdfarkosten. Vissa lätta strålningsskyddande material testas för närvarande i ett experiment kallat (MISSE) ombord på den internationella rymdstationen. Men de kommer inte att räcka till.
Den verkliga skurken är galaktisk kosmisk strålning (GCR) som produceras i avlägsna supernovaexplosioner. Den består delvis av mycket tunga positiva joner – t.ex. järnkärnor – som rusar iväg med stor hastighet. Kombinationen av hög massa och hög hastighet gör dessa små atomära ”kanonkulor” mycket destruktiva. När de tränger igenom cellerna i människors kroppar kan de slå sönder DNA, vilket leder till sjukdom och till och med cancer.
”Det visar sig att de sämsta materialen man kan använda för att skydda mot GCR är metaller”, konstaterar Bushnell. När en galaktisk komisk stråle träffar en metallatom kan den splittra atomkärnan – en process som liknar den klyvning som sker i kärnkraftverk. Den sekundära strålning som produceras av dessa kollisioner kan vara värre än den GCR som metallen var tänkt att skydda.
Ironiskt sett är lätta grundämnen som väte och helium det bästa försvaret mot dessa GCR-brutaler, eftersom kollisioner med dem producerar lite sekundärstrålning. Vissa människor har föreslagit att omge skeppets bostadsutrymmen med en tank med flytande väte. Enligt Bushnell skulle ett 50-100 cm tjockt lager flytande väte ge tillräcklig avskärmning. Men tanken och det kryogena systemet kommer sannolikt att bli tungt och otympligt.
Även här kan nanorör vara användbara. Ett nät av kolnanorör kan lagra vätgas vid hög densitet och utan behov av extrem kyla. Så om våra framtida rymdfarkoster redan använder nanorör som ett ultralätt strukturellt material, skulle dessa rör också kunna laddas med väte för att fungera som strålningsskydd? Forskare undersöker möjligheten.
Vänster: När kosmisk strålning med hög energi kraschar in i astronauters DNA kan det orsaka skador som leder till cancer eller andra strålningsrelaterade sjukdomar. Bilder från NASA:s kontor för biologisk och fysisk forskning.
Om vi går ett steg längre kan lager av detta strukturella material spetsas med atomer av andra grundämnen som är bra på att filtrera bort andra former av strålning: bor och litium för att hantera neutroner och aluminium för att absorbera elektroner, till exempel.
Camping Out in the Cosmos
Jordytan på jorden är i stort sett säker för kosmisk strålning, men andra planeter är inte lika lyckligt lottade. Mars, till exempel, har inget starkt globalt magnetfält som kan avleda strålningspartiklar, och dess atmosfäriska täcke är 140 gånger tunnare än jordens. Dessa två skillnader gör att strålningsdosen på Mars yta är ungefär en tredjedel så intensiv som i oskyddad öppen rymd. Framtida Marsforskare kommer att behöva strålningsskydd.
”Vi kan inte ta med oss de flesta av de material som behövs för att skapa ett långsiktigt skydd på grund av viktskäl. Så en sak som vi arbetar med är hur vi ska kunna tillverka strålningsskyddande material från de element som vi hittar där”, säger Sheila Thibeault, en forskare vid LaRC som specialiserat sig på strålningsskydd.
Högre: Astronauter som slår läger på Mars kommer att behöva skydd mot strålning från rymden. Bild: Frassanito and Associates, Inc.
En möjlig lösning är ”Mars bricks”. Thibeault förklarar: ”Astronauter skulle kunna tillverka strålningsbeständiga tegelstenar av material som finns lokalt på Mars och använda dem för att bygga skyddsrum.” De skulle till exempel kunna kombinera den sandliknande regolit som täcker Marsytan med en polymer som tillverkas på plats av koldioxid och vatten, som båda förekommer rikligt på den röda planeten. Genom att zappa denna blandning med mikrovågor skapas plastliknande tegelstenar som fungerar som ett bra strålningsskydd.
”Genom att använda mikrovågor kan vi tillverka dessa tegelstenar snabbt och med mycket lite energi eller utrustning”, förklarar hon. ”Och den polymer som vi skulle använda bidrar till de strålningsavskärmande egenskaperna hos regoliten.”
Marsskydd skulle behöva tillförlitligheten hos självkännande material, hållbarheten hos självläkande material och viktbesparingarna hos multifunktionella material. Med andra ord behöver ett hus på Mars och en bra rymdfarkost många av samma saker. Forskarna överväger alla dessa, säger Thibeault.
Folket hemma
Hurtiga avancerade material kommer att vara användbara på jorden också.
”Nasa:s forskning är verkligen inriktad på rymdfarkoster”, konstaterar Anna McGowan, chef för Nasa:s Morphing Project (en forskningsinsats på avancerat material vid Langley Research Center). ”Den grundläggande vetenskapen skulle dock kunna användas på många andra områden. Det skulle kunna bli miljontals spin-offs.”
Vänster: Framtidens flygplan skulle kunna ha självböjande vingar som fungerar utan klaffar, vilket minskar luftmotståndet och sänker bränslekostnaderna.
Men inte än. De flesta avancerade material saknar den tekniska förfining som krävs för en polerad, robust produkt. De är inte redo att börja användas. Trots detta, menar forskarna, är det bara en tidsfråga: Så småningom kommer bilförsäljaren att sluta skratta … och börja sälja din drömmaskin från rymden.
Webblänkar
Buck Rogers, se upp! — Artikel från Science@NASA: NASA-forskare studerar insekter och fåglar och använder ”smarta” material med kusliga egenskaper för att utveckla nya och häpnadsväckande flygplanskonstruktioner.
Framtidens prover — Science@NASA-artikel: Morgondagens avancerade rymdskepp kommer att tillverkas av avancerade material med extraordinär motståndskraft mot den hårda miljön i rymden. Materials International Space Station Experiment (MISSE) syftar till att ta reda på vilka material som fungerar bäst.
Högre: MISSE sticker ut i rymden utanför den internationella rymdstationen med den stigande solen i bakgrunden.
Digging in and taking cover — Science@NASA artikel: Skit från månen och Mars kan ge strålningsskydd för besättningar på framtida uppdrag. Se även ”Making Mars Bricks”.
Center for Nanotechnology (CNT) — vid NASA:s Ames Research Center.
Needs of future missions — förteckning över teknik som behövs för framtida utforskning av rymden och några möjliga lösningar, från CNT.
Nanotube Links: Nanorör & Buckyballs (Nanotechnology Now); Kolnanorör (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Forskning inom molekylär elektronik: en transistor i nanoskala från IBM; en enkel logisk grind tillverkad av nanotrådar; en nanorör som kan anpassas för trådar eller strukturer från Purdue University.
Rymdväder på Mars — Science@NASA artikel: Framtida mänskliga utforskare av Mars kan lämna sina paraplyer på jorden, men de bör kanske inte glömma sina geigerräknare! Ett NASA-experiment som är på väg till den röda planeten syftar till att ta reda på det.
Lämna ett svar