Η NASA αναπτύσσει υπερ-μαύρο υλικό για διαστημικές αποστολές και κάμερες smartphones

Σύνοψη

• Μια νέα υπερ-μαύρη επίστρωση, 100 φορές πιο λεπτή από τις υπάρχουσες λύσεις, αναπτύχθηκε από τη ZeCoat Corporation με την υποστήριξη της NASA.
• Η τεχνολογία προορίζεται για τα "starshades", γιγαντιαίες δομές που μπλοκάρουν το φως των άστρων, επιτρέποντας στα τηλεσκόπια να εντοπίζουν αμυδρούς εξωπλανήτες.
• Η επίστρωση βασίζεται σε νανοσκοπικές κοιλότητες που παγιδεύουν και απορροφούν το φως, μειώνοντας την αντανάκλαση κατά 20 φορές.
• Οι εμπορικές εφαρμογές περιλαμβάνουν τη μείωση της ορατότητας των δορυφόρων από τη Γη, καθώς και τη βελτίωση των καμερών στα smartphones.

Η αναζήτηση κατοικίσιμων πλανητών εκτός του ηλιακού μας συστήματος αποτελεί την κορυφαία προτεραιότητα των σύγχρονων διαστημικών προγραμμάτων. Ωστόσο, το μεγαλύτερο εμπόδιο για την άμεση παρατήρηση ενός εξωπλανήτη είναι η ίδια η πηγή της ζωής του: το μητρικό του άστρο. Η φωτεινότητα ενός άστρου μπορεί να είναι δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από το φως που αντανακλά ένας πλανήτης σε τροχιά γύρω του. Προκειμένου να λυθεί αυτό το θεμελιώδες οπτικό πρόβλημα, η NASA υποστηρίζει την ανάπτυξη εξειδικευμένων υλικών, οδηγώντας στη δημιουργία μιας νέας, υπερ-μαύρης επίστρωσης από τη ZeCoat Corporation, η οποία υπόσχεται να εξαλείψει τις ανεπιθύμητες αντανακλάσεις φωτός.

Τι είναι το Starshade και πώς λειτουργεί;

Το Starshade είναι μια γιγαντιαία δομή σε σχήμα λουλουδιού και μεγέθους μισού γηπέδου ποδοσφαίρου που τοποθετείται ανάμεσα σε ένα διαστημικό τηλεσκόπιο και ένα μακρινό άστρο, ρίχνοντας σκιά στο τηλεσκόπιο. Αυτό μπλοκάρει το έντονο αστρικό φως (κάτω από ένα μέρος ανά δισεκατομμύριο), επιτρέποντας την καταγραφή του αμυδρού φωτός που αντανακλάται από τους εξωπλανήτες.

Το παράδειγμα που χρησιμοποιούν συχνά οι επιστήμονες της NASA για να περιγράψουν την προσπάθεια φωτογράφισης ενός εξωπλανήτη είναι εξόχως παραστατικό: ισοδυναμεί με την προσπάθεια εντοπισμού του φωτός που αντανακλάται από ένα μικρό έντομο το οποίο πετάει δίπλα σε έναν πανίσχυρο προβολέα. Εκτός από το άμεσο φως του άστρου, υπάρχει και το πρόβλημα της διάχυσης. Το φως από τον δικό μας Ήλιο αντανακλάται πάνω στις επιφάνειες του διαστημικού σκάφους και επιστρέφει μέσα στο τηλεσκόπιο, δημιουργώντας επιπλέον "φωτορύπανση" που αλλοιώνει εντελώς τα δεδομένα.

Για να μπορέσει ένα τηλεσκόπιο να διακρίνει τα χαρακτηριστικά ενός εξωπλανήτη, το starshade πρέπει να δημιουργεί μια απολύτως καθαρή σκιά. Η γεωμετρία της κατασκευής απαιτεί απόλυτη ακρίβεια, ειδικά στα άκρα των "πετάλων" της δομής, τα οποία είναι τα πιο ευάλωτα σημεία στη σκέδαση του φωτός. Μέχρι πρότινος, η μηχανική προσέγγιση στόχευε στη φυσική αιχμηρότητα αυτών των άκρων.

Η πρόκληση του ηλιακού φωτός και οι περιορισμοί των παλαιών υλικών

Τα τελευταία δέκα χρόνια, οι μηχανικοί που χρηματοδοτούνται από τη NASA εξέτασαν πολλαπλές εναλλακτικές μεθόδους. Η δημιουργία λεπίδων από άμορφα μέταλλα, οι οποίες κατέληγαν σε άκρα πάχους μόλις 300 νανομέτρων, θεωρήθηκε αρχικά μια τεράστια επιτυχία της επιστήμης των υλικών. Ωστόσο, τα τηλεμετρικά δεδομένα και οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι ακόμη και αυτή η νανοσκοπική μεταλλική επιφάνεια ήταν ικανή να σκεδάσει κρίσιμες ποσότητες ηλιακού φωτός προς την κατεύθυνση των αισθητήρων του τηλεσκοπίου.

Οι απόπειρες εφαρμογής μαύρων επικαλύψεων για τη μείωση της αντανάκλασης απέτυχαν εξαιτίας του αυξημένου όγκου. Οι τρισδιάστατες μικροδομές που εγκλωβίζουν το φως, αν και άκρως αποτελεσματικές σε εργαστηριακές συνθήκες στη Γη, αύξαναν το πάχος της λεπίδας, καθιστώντας την πολύ αμβλεία για τη συγκεκριμένη οπτική εφαρμογή. Απαιτούνταν μια εντελώς νέα προσέγγιση σε επίπεδο νανοκλίμακας.

Η καινοτομία της υπερ-μαύρης επίστρωσης και η φυσική εναπόθεση ατμών

Η νέα υπερ-μαύρη επίστρωση χρησιμοποιεί εν μέρει διαφανή μεταλλικά στρώματα που διαχωρίζονται από διηλεκτρικό γυαλί, σχηματίζοντας νανοσκοπικές κοιλότητες. Το εισερχόμενο φως συντονίζεται ως στάσιμο κύμα στο εσωτερικό τους και απορροφάται πλήρως. Είναι 100 φορές πιο λεπτή από τις παλαιότερες επιστρώσεις και μειώνει το αντανακλώμενο φως κατά 20 φορές.

Η διαδικασία ανάπτυξης του νέου υλικού ξεκίνησε το 2004 από τον David Sheikh, ιδρυτή της ZeCoat Corporation. Ο Sheikh διερευνούσε την έννοια του "μαύρου καθρέφτη", δηλαδή μιας επιφάνειας που απορροφά σχεδόν όλο το προσπίπτον φως αντί να το αντανακλά. Αξιοποιώντας προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα και νεότερα δεδομένα ιδιοτήτων των υλικών, η εταιρεία εξέλιξε μια διαδικασία φυσικής εναπόθεσης ατμών ελεγχόμενης κίνησης.

Τοποθετώντας με απόλυτη μαθηματική ακρίβεια λεπτά μεταλλικά στρώματα εναλλάξ με διηλεκτρικά στρώματα γυαλιού, η ομάδα δημιούργησε πολλαπλές κοιλότητες απορρόφησης. Η αρχή λειτουργίας είναι παρόμοια με την κοιλότητα Fabry–Perot που χρησιμοποιείται στα συστήματα λέιζερ. Μόνο που στην προκειμένη περίπτωση, αντί το φως να ενισχύεται, παγιδεύεται και απορροφάται από τα μέταλλα. Το 2020, στο Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA στη Νότια Καλιφόρνια, οι μηχανικοί μέτρησαν τη σκέδαση μέσω ενός εξειδικευμένου λέιζερ (scatterometer) πάνω σε άμορφα μεταλλικά ελάσματα 50 εκατοστών. Τα αποτελέσματα ήταν κατηγορηματικά: η αντανάκλαση μειώθηκε σε βαθμό που να καθιστά απολύτως εφικτή την απεικόνιση εξωπλανητών.

Η διαδικασία παραγωγής "Roll-to-Roll" και οι εμπορικές εφαρμογές

Μέσω συμβολαίου SBIR της NASA, η ZeCoat εξέλιξε μια διαδικασία μαζικής παραγωγής "roll-to-roll", εφαρμόζοντας το υπερ-μαύρο φινίρισμα σε μεγάλα φύλλα μεμβράνης πολυιμιδίου πλάτους ενός μέτρου. Εκτός από το Διάστημα, η επίστρωση αναμένεται να εφαρμοστεί για τη μείωση της φωτεινότητας δορυφόρων και τη βελτίωση των καμερών στα smartphones.

Η επιτυχία της τεχνολογίας σε μικρή κλίμακα οδήγησε το 2021 στη σύναψη συμβολαίου Καινοτόμου Έρευνας Μικρών Επιχειρήσεων (SBIR) με τη NASA. Στόχος ήταν η μετάβαση από το εργαστήριο στη γραμμή παραγωγής. Χρησιμοποιώντας πολλαπλούς εξατμιστήρες δέσμης ηλεκτρονίων, η διαδικασία εφαρμόζει την επίστρωση σε κινούμενες μεμβράνες με απόλυτη ομοιομορφία. Τα τεράστια αυτά φύλλα θα συρραφθούν για να καλύψουν τον κεντρικό δίσκο και τα πέταλα των μελλοντικών starshades.

Ωστόσο, η διαστημική έρευνα ανέκαθεν λειτουργούσε ως επιταχυντής για την καταναλωτική τεχνολογία και αυτές οι υπερ-μαύρες, ανθεκτικές επικαλύψεις έχουν άμεσες εφαρμογές στη Γη. Στον τομέα της ιδιωτικής διαστημικής βιομηχανίας, εταιρείες που διαχειρίζονται τεράστιους αστερισμούς δορυφόρων αναζητούν τέτοια υλικά για να μειώσουν τη φωτεινότητα των σκαφών τους, προκειμένου να μην παρεμποδίζουν τις επίγειες αστρονομικές παρατηρήσεις. Στην αγορά των καταναλωτικών ηλεκτρονικών, η ενσωμάτωση τέτοιων επικαλύψεων στις εσωτερικές επιφάνειες γύρω από τους φακούς των καμερών στα smartphones θα μπορούσε να εξαλείψει οριστικά τα προβλήματα οπτικής αντανάκλασης κατά τη νυχτερινή φωτογράφιση ή απέναντι σε ισχυρές πηγές φωτός. Παράλληλα, αναπτύσσονται εκδόσεις της επίστρωσης για τον θερμικό έλεγχο και την προστασία από μικρομετεωρίτες σε μελλοντικά σκάφη, όπως το Habitable Worlds Observatory.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!