Nanoczujniki w kosmosie

Podczas podróży poza ziemską atmosferę niezwykle ważne jest, aby móc odpowiednio zmierzyć poziom różnych gazów, które mogą przedostać się do statku kosmicznego. Niebezpieczeństwo jest szczególnie poważne podczas długich misji, kiedy w dopływie powietrza mogą gromadzić się zanieczyszczenia zagrażające zdrowiu członków załogi i funkcjonowaniu wyrafinowanego oprzyrządowania. Naukowcy z Centrum Badawcze NASA Amesa (ARC) oraz Centrum lotów kosmicznych Goddarda zwalczają ten problem za pomocą nowego chemicznego nanoczujnika, pierwszego tego rodzaju testowanego w kosmosie. Każdy czujnik jest wykonany z nanorurek węglowych lub nanodrutów, co zapewnia mu wysoką czułość.

Czujniki przestrzeni: Opracowany przez NASA nanoczujnik chemiczny został zamontowany na satelicie marynarki wojennej Midstar-1 i wystrzelony w kosmos za pomocą rakiety Atlas V (górny obrazek). Moduł nanoczujnika (obraz środkowy) ma około 12 centymetrów na 12 centymetrów na 4 centymetry. Zawiera płytę akwizycji danych, system pobierania próbek, zbiornik dwutlenku azotu i chip czujnika (zdjęcie na dole). Nanoczujnik to płytka krzemowa o wymiarach jeden na jeden centymetr, która ma 32 kanały do ​​wykrywania i wykorzystuje różne materiały nanostrukturalne do wykrywania.

W marcu ważący zaledwie kilka gramów chip nanosensorowy poleciał w kosmos w elektronicznym i mechanicznym opakowaniu na pokładzie Akademii Marynarki Wojennej. Midstar-1 satelitę i został przetestowany pod koniec maja. Według Jing Li, głównego badacza i starszego naukowca z NASA Ames, czujnik był w stanie wytrzymać intensywne warunki w przestrzeni kosmicznej, w tym cykle temperatury i ciśnienia, a także ekstremalne wibracje i zmiany grawitacji, które występują podczas startu.

Stworzenie czujnika chemicznego do podróży kosmicznych przy użyciu nanokomponentów jest bardzo ważne, mówi Joseph Stetter, dyrektor Centrum Innowacji Microsystems w SRI Międzynarodowy , w Menlo Park, CA. To cenny sposób na podejście do rzeczy i rozwiązywanie problemów w kosmosie.

Naukowcy NASA zbudowali nanoczujniki, powlekając nanorurki węglowe różnymi polimerami, które reagują z różnymi chemikaliami, lub domieszkując nanorurki węglowe i nanodruty różnymi katalitycznymi cząsteczkami metali, które działają jako materiał czujnika. Na chipie znajdują się 32 kanały czujnikowe; w zależności od wykrywanej substancji chemicznej w każdym kanale umieszczane są różne materiały nanostrukturalne, nanorurki węglowe lub nanodruty z tlenków metali – powlekane lub niepowlekane. Gdy niewielka ilość docelowej substancji chemicznej dotknie materiałów czujnika, wyzwala reakcję, która powoduje wzrost lub spadek prądu elektrycznego przepływającego przez czujnik. Różne reakcje utworzą wzór, który czujnik może wykorzystać do identyfikacji gazu.

Aby przetestować nanoczujnik, naukowcy wstrzyknęli dwutlenek azotu do komory zawierającej nanoczujnik. Gdy dwutlenek azotu wszedł w kontakt z materiałami czujnika, czujnik był w stanie zmierzyć zmianę przechodzącej przez niego energii elektrycznej. Do tej pory naukowcy przetestowali ponad 15 substancji chemicznych, w tym amoniak, nadtlenek wodoru, chlorowodór i formaldehyd.

Mówi się, że użycie nanorurek węglowych do wykrywania substancji chemicznych może przynieść znaczne korzyści Jiri Janata , profesor w szkole chemii i biochemii Georgia Institute of Technology. Po pierwsze, użycie materiałów nanostrukturalnych zwiększa stosunek powierzchni do objętości, umożliwiając materiałom pochłanianie większej ilości gazu, a tym samym poprawę czułości.

Oprócz potencjalnej zwiększonej czułości, nanoczujniki są urządzeniami półprzewodnikowymi. Daje to czujnikowi trwałość do pięciu lat w porównaniu z okresem trwałości istniejących czujników elektrochemicznych wynoszącym od sześciu do dwunastu miesięcy.

Sam układ czujnika ma jeden centymetr kwadratowy. W pakiecie elektronicznym ma około 5,1 centymetra na 6,4 centymetra na 2,5 centymetra i jest bezprzewodowy: może przesyłać dane z czujnika z jednego rogu pokoju do drugiego lub na odległość 30 metrów. Niska moc, mały rozmiar i niewielka waga są bardzo ważne w kosmosie, mówi Stetter. Chodzi o to, że chcemy mieć więcej funkcjonalności w mniejszych opakowaniach, zwłaszcza biorąc pod uwagę koszt wyniesienia czegoś w przestrzeń.

Naukowcy NASA mają nadzieję, że w końcu uda się umieścić nanoczujnik na pokładzie promu, Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i innych pojazdów przeznaczonych do podróży w kosmos. Inżynierowie z Centrum Kosmicznego im. Kennedy'ego wykazali również zainteresowanie czujnikiem do umieszczenia w obszarze wyrzutni w celu monitorowania wycieków paliwa i dyspersji chemicznej wzdłuż promienia.

Technologia czujników jest gotowa do użycia w kosmosie, mówi Li, ale zanim będą mogły latać w misji, będą musiały zostać zmodyfikowane zgodnie z substancjami chemicznymi, które NASA jest zainteresowana wykrywaniem. Czujniki będą również musiały przejść przez proces kwalifikacji kosmicznej NASA, co samo w sobie może być długą przygodą.

ukryć