Eine der größten Herausforderungen beim Arbeiten und Leben im Weltraum ist die Bedrohung durch Strahlung. Neben Sonnen- und kosmischen Strahlen, die für die Gesundheit der Astronauten gefährlich sind, gibt es auch ionisierende Strahlung, die ihre elektronischen Geräte bedroht. Dies erfordert, dass alle Raumfahrzeuge, Satelliten und Raumstationen, die in die Umlaufbahn geschickt werden, mit Materialien abgeschirmt werden, die oft recht schwer und / oder teuer sind.
Um Alternativen zu schaffen, hat ein Team von Ingenieuren eine neue Technik zur Herstellung von Strahlenschutz entwickelt, die leichter und kostengünstiger als bestehende Methoden ist. Die geheime Zutat sind laut ihrer kürzlich veröffentlichten Forschung Metalloxide (auch bekannt als Rost). Diese neue Methode könnte zahlreiche Anwendungen haben und zu einem erheblichen Rückgang der Kosten führen, die mit Weltraumstarts und Raumfahrt verbunden sind.
Die Studie des Forschungsteams erschien online und wird in die Juni 2020-Ausgabe des wissenschaftlichen Journals aufgenommen Strahlenphysik und Chemie. Die Studie wurde von Michael DeVanzo, einem leitenden Systemingenieur bei Lockheed Martin Space, und Robert B. Hayes, einem außerordentlichen Professor für Nukleartechnik an der North Carolina State University, durchgeführt.
Einfach ausgedrückt, ionisiert ionisierende Strahlung Energie auf die Atome und Moleküle, mit denen sie interagiert, wodurch Elektronen verloren gehen und Ionen erzeugt werden. Auf der Erde ist diese Art von Strahlung dank des schützenden Magnetfelds und der dichten Atmosphäre der Erde kein Problem. Im Weltraum ist ionisierende Strahlung jedoch sehr verbreitet und kommt aus drei Quellen - galaktischen kosmischen Strahlen (GCRs), Sonneneruptionspartikeln und Erdstrahlungsgürteln (auch bekannt als Van Allen Belts).
Zum Schutz vor dieser Art von Strahlung werden Raumfahrtagenturen und kommerzielle Luft- und Raumfahrthersteller in der Regel empfindliche Elektronik in Metallboxen einschließen. Während Metalle wie Blei oder abgereichertes Uran den größten Schutz bieten, würde diese Art der Abschirmung einem Raumschiff ein erhebliches Gewicht verleihen.
Daher werden Aluminiumboxen bevorzugt, da angenommen wird, dass sie den besten Kompromiss zwischen dem Gewicht eines Schildes und dem Schutz bieten, den es bietet. Wie Prof. Hayes erklärte, versuchten er und DeVanzo, Materialien zu untersuchen, die einen besseren Schutz bieten und das Gesamtgewicht von Raumfahrzeugen weiter reduzieren könnten:
„Unser Ansatz kann verwendet werden, um das gleiche Maß an Strahlenabschirmung beizubehalten und das Gewicht um 30% oder mehr zu reduzieren, oder Sie können das gleiche Gewicht beibehalten und die Abschirmung um 30% oder mehr verbessern - im Vergleich zu den am häufigsten verwendeten Abschirmtechniken. In jedem Fall reduziert unser Ansatz den Platzbedarf durch Abschirmung. “
Die von ihm und DeVanzo entwickelte Technik beruht darauf, pulverisiertes oxidiertes Metall (Rost) in ein Polymer zu mischen und es dann in eine gemeinsame Beschichtung einzubauen, die dann auf die Elektronik aufgebracht wird. Im Vergleich zu Metallpulvern bieten Metalloxide eine geringere Abschirmung, sind jedoch auch weniger giftig und werfen nicht dieselben elektromagnetischen Probleme auf, die die Elektronik eines Raumfahrzeugs beeinträchtigen könnten. Wie DeVanzo erklärte:
„Strahlungstransportberechnungen zeigen, dass der Einschluss des Metalloxidpulvers eine Abschirmung bietet, die mit einer herkömmlichen Abschirmung vergleichbar ist. Bei niedrigen Energien reduziert das Metalloxidpulver sowohl die Gammastrahlung der Elektronik um den Faktor 300 als auch den Schaden durch Neutronenstrahlung um 225%. “
"Gleichzeitig ist die Beschichtung weniger sperrig als eine Abschirmbox", fügte Hayes hinzu. „Und in Computersimulationen absorbierte die schlechteste Leistung der Oxidbeschichtung immer noch 30% mehr Strahlung als eine herkömmliche Abschirmung mit demselben Gewicht. Darüber hinaus sind die Oxidpartikel viel billiger als die gleiche Menge des reinen Metalls. “
Diese neue Methode reduziert nicht nur das Gewicht und die Kosten weltraumgestützter Elektronik, sondern könnte möglicherweise auch die Notwendigkeit einer konventionellen Abschirmung bei Weltraummissionen verringern. Mit Blick auf die Zukunft werden DeVanzo und Hayes ihre Abschirmtechnik für verschiedene Anwendungen weiter optimieren und testen und suchen nach Industriepartnern, die ihnen bei der Entwicklung der Technologie für den Einsatz in der Industrie helfen.
