09.08.2018 - National University of Singapore

Graphen tritt in die Stratosphäre ein

Das Centre for Advanced Two-Dimensional Materials (CA2DM) an der National University of Singapore (NUS) hat sich mit dem US-amerikanischen Raumfahrtunternehmen Boreal Space zusammengetan, um die Eigenschaften von Graphen nach dem Start in die Stratosphäre zu testen. Die Ergebnisse könnten Aufschluss darüber geben, wie Graphen für Weltraum- und Satellitentechnologien eingesetzt werden könnte.

"Der Nutzen von Graphen auf der Erde wurde bereits im letzten Jahrzehnt festgestellt. Jetzt ist es an der Zeit, die Perspektiven für den Einsatz in der Raumfahrt - einem Bereich, der als der anspruchsvollste der modernen Technologie gilt - zu erweitern und das Paradigma der Materialwissenschaften zu verändern. Der Weltraum ist die letzte Grenze für die Graphenforschung, und ich glaube, dies ist das erste Mal, dass Graphen in die Stratosphäre eingedrungen ist", sagte Projektleiter Professor Antonio Castro Neto, Direktor von NUS CA2DM.

Die Grenzen der Graphenforschung verschieben

Zweidimensionales Graphen hat eine einzigartige Kombination von extrem flexibel, härter als Diamant und stärker als Stahl. Während die Forscher erkennen, dass es Potenzial für Weltraumanwendungen haben könnte, sind seine praktischen Anwendungen noch nicht erprobt.

"Um ein Raumfahrzeug über weite Strecken im Weltraum zu bewegen, sind enorme Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erforderlich, die nur mit sehr geringer Masse möglich sind. Graphen ist das ideale Material, da es zu den leichtesten und gleichzeitig stärksten Funktionsmaterialien gehört, die wir haben. Darüber hinaus ist Graphen aufgrund seiner hohen elektronischen Leistung ein hervorragender Kandidat für den Einsatz bei Sauerstoffmangel und niedrigen Temperaturen im Weltraum", erklärt Prof. Castro Neto.

Um die Vielseitigkeit von Graphen zu testen, bereitete ein Team um Professor Barbaros Özyilmaz, Leiter der Graphenforschung bei NUS CA2DM, das Material vor, indem es ein Substrat mit einer einzigen Schicht Graphen beschichtete, die etwa 0,5 Nanometer dick war, mehr als 200 Mal dünner als ein menschliches Haar. Die Probe wurde in einem Boreal Space'Wayfinder - Mini' CubeSat sicher zusammengebaut und in die Nutzlastkammer der Höhenforschungsrakete gelegt.

Der Satellit wurde am Morgen des 30. Juni 2018 über der Mojave-Wüste in den USA gestartet. Das Boreal Space Startteam war verantwortlich für die Unterstützung beim Start der Nutzlast, die Nasenkonusseparation, die Überwachung während des Fluges, das Zurückfliegen zur Erde, den Aufprall und die Bergung.

Während des Starts wurde der Satellit in eine suborbitale Umgebung geschickt, und das Graphenmaterial wurde rauen Bedingungen wie schneller Beschleunigung, Vibration, akustischem Schock, starkem Druck und einer großen Bandbreite an Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die Probe trat nach einem 71-Sekunden-Flug wieder in die Erdatmosphäre ein und landete mit einem Fallschirm in der Mojave-Wüste.

Die Graphenprobe wurde vom Team am selben Tag entnommen, und das NUS CA2DM-Team führt Tests durch, um festzustellen, ob die strukturellen Eigenschaften und die Stabilität während des Starts und der Landung beeinträchtigt wurden. Insbesondere wird das Team Raman-Spektroskopietechniken einsetzen, um das Vorhandensein von Defekten in der Probe zu erkennen. "Wenn diese Forschungskooperation zeigen kann, dass Graphen seine verschiedenen Eigenschaften und Merkmale auch nach der Einführung in die suborbitale Umgebung beibehält, eröffnet sie interessante neue Möglichkeiten für die Integration von Graphen in Technologien, die für Weltraum- und Raumfahrtmissionen geeignet sind. Solche Technologien können elektromagnetische Abschirmung, effiziente Solarstromerzeugung und hervorragenden Wärmeschutz umfassen", sagte Prof. Castro Neto.

Barbara Plante, Präsidentin von Boreal Space, fügte hinzu: "Wir freuen uns sehr über die Erhöhung der Technologiepräsenz von Graphen und die Förderung seines Nutzens im Weltraum. Ich bin überzeugt, dass Graphen eine äußerst wichtige Rolle bei der Kommerzialisierung des Weltraums spielen wird. Diese und zukünftige Starts unterstützen die Demonstration zukünftiger Anwendungen der graphenbasierten Technologie im Weltraum."

Neben dem NUS-Graphenexperiment beherbergte der Boreal Space 'Wayfinder - Mini' CubeSat auch Galliumnitrid-Magnetfeldsensoren des Extreme Environments Lab (XLab) der Stanford University. Das Stanford-Team sucht nicht nur nach wichtigen experimentellen Daten wie dem Überleben der Startlast und der Signalintegrität der Elektronik, sondern auch nach Erkenntnissen über magnetische Interferenzen, Rauschunterdrückung und Strahlungseffekte auf ihre Sensoren.

Nach dieser kombinierten Mission, bekannt als GRASP (GRaphene And Stanford Payloads), bietet Boreal Space weiterhin suborbitale und niedrige Erdumlaufbahnen, um die Überlebensfähigkeit und Funktionsfähigkeit von Nutzlasten im Weltraum zu testen und zu validieren.

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