Een Vietnamese promovendus probeert de temperatuur van materialen te verlagen om ruimtevaartuigen te beschermen.

Dr. Le Thi Quynh Trang en wetenschappers in Japan hebben een methode ontdekt om de warmteoverdracht door materialen te verminderen, waardoor de oppervlakken van ruimtevaartuigen en satellieten beter beschermd worden.

De studie werd gepubliceerd in Nature door Dr. Trang van het Institute for Advanced Technology Research and Development aan de Duy Tan Universiteit en professoren uit Japan. De onderzoekers zijn van mening dat het verminderen van de thermische flux van elektronen en ionen een van de belangrijkste factoren is die bijdragen aan de bescherming van de oppervlakken van satellieten en ruimtevaartuigen.

In een gesprek met VnExpress legde dr. Trang uit dat elektronen en ionen bij hoge temperaturen gemakkelijk bewegen en botsen met metalen oppervlakken. Hierdoor kan het metalen oppervlak beschadigd raken. Het onderzoeksteam gebruikte een extern magnetisch veld, opgewekt door de stroom die door de verwarmingsdraad liep. Er werd een plasmastroommodel ontwikkeld, bestaande uit elektronen en ionen in een klein gebied, met behulp van twee ruimtelijke dimensies en drie snelheidscoördinaten om het effect van de verwarmingsdraad op de deeltjes en de warmteflux te bepalen.

Plasmasimulaties worden beperkt door een vacuüm. Afbeelding: Onderzoeksteam

Dr. Trang legde uit dat het team bij het simuleren van de beweging van plasmadeeltjes aan de rand van de tokamak ontdekte dat het magnetische veld de richting en intensiteit van de warmteflux kon veranderen, omdat elektronen en ionen rond de magnetische veldlijnen roteren. Met name een geconcentreerd magnetisch veld (met een maximale sterkte in het midden en een snelle afname naar de omgeving toe) kan magnetische spiegels vormen. Deze spiegels helpen de meeste plasmadeeltjes vast te houden terwijl ze erdoorheen bewegen, waardoor alleen deeltjes met voldoende snelheid de spiegel kunnen verlaten en naar buiten kunnen bewegen. Hierdoor wordt de stroom van hoogenergetische deeltjes verminderd voordat ze het metalen oppervlak raken.

Het team legde het gebruik van een verwarmingsdraad in hun onderzoek uit door te stellen dat het magnetische veld dat door een geleider wordt gegenereerd omgekeerd evenredig is met de afstand tot de draad; hoe verder van de geleider, hoe zwakker het magnetische veld. Met andere woorden, de geleider kan een geconcentreerd magnetisch veld creëren. Door elektrische ontladingen te gebruiken, kan de structuur van het magnetische veld in het systeem worden veranderd, waardoor de richting van de deeltjesstroom wordt beïnvloed. Na zorgvuldig onderzoek concludeerde het team dat de hoge warmteflux aan het metaaloppervlak aanzienlijk wordt verminderd bij gebruik van elektrische ontladingen.

Het Crew Dragon-ruimtevaartuig maakt gebruik van geavanceerde materialen om het oppervlak te beschermen. Foto: SpaceX.

Dr. Trang is van mening dat de onderzoeksresultaten belangrijk zijn en een potentiële kandidaat kunnen vormen voor het verminderen van de stroom hoogenergetische deeltjes naar metalen oppervlakken, waardoor de oppervlakken van satellieten en ruimtevaartuigen worden afgeschermd van hoogenergetische ionen- en elektronenstromen. Ze voorspelt optimistisch dat deze onderzoeksmethode binnenkort in de praktijk kan worden toegepast. "Het team zal de haalbaarheid van onze voorgestelde methode verder onderzoeken wanneer deze in experimenten wordt getest," aldus Dr. Trang.

Veel wetenschappers doen onderzoek naar nieuwe materialen en oppervlaktebeschermingsoplossingen voor ruimtevaartuigen en satellieten. Zo gebruikte NASA bijvoorbeeld ooit een zelfafpellend hitteschild van koolstofvezel om te voorkomen dat een ruimtevaartuig met mensen aan boord op weg naar Mars zou verbranden bij de terugkeer naar de aarde.

In 2021 ontwikkelden Chinese onderzoekers een nieuw type tweelaags polyimide-nanocomposietmembraan dat gebruikt zou kunnen worden om de buitenoppervlakken van ruimtevaartuigen effectiever te beschermen.

vnexpress.net