211service.com
Nanosensoren in de ruimte
Wanneer u buiten de atmosfeer van de aarde reist, is het van cruciaal belang om het niveau van verschillende gassen die in het ruimtevaartuig kunnen sijpelen adequaat te kunnen meten. Het gevaar is vooral groot tijdens lange missies, wanneer verontreinigingen zich kunnen ophopen in de luchttoevoer, wat een bedreiging vormt voor de gezondheid van eventuele bemanningsleden en het functioneren van geavanceerde instrumenten. Wetenschappers bij NASA Ames Onderzoekscentrum (ARC) en Goddard Space Flight Center bestrijden het probleem met een nieuwe chemische nanosensor, de eerste in zijn soort die in de ruimte is getest. Elke sensor is gemaakt van koolstofnanobuizen of nanodraden, waardoor deze een hoge gevoeligheid heeft.
Ruimtesensoren: De door NASA ontwikkelde chemische nanosensor werd op de marinesatelliet gemonteerd Midstar-1 en gelanceerd in de ruimte via de Atlas V-raket (bovenste afbeelding). De nanosensormodule (middelste afbeelding) is ongeveer 12 centimeter bij 12 centimeter bij 4 centimeter. Het bevat een data-acquisitiebord, een bemonsteringssysteem, een tank met stikstofdioxide en de sensorchip (onderste afbeelding). De nanosensor is een siliciumwafel van één centimeter bij één centimeter met 32 kanalen voor detectie en gebruikt verschillende nanostructuurmaterialen voor detectie.
In maart reisde de nanosensorchip, met een gewicht van slechts een paar gram, de ruimte in in een elektronisch en mechanisch pakket aan boord van de Naval Academy's Midstar-1 satelliet, en werd eind mei op de proef gesteld. Volgens Jing Li, hoofdonderzoeker en senior wetenschapper bij NASA Ames, was de sensor bestand tegen de intense omstandigheden, waaronder temperatuur- en drukcycli, in de ruimte, evenals de extreme trillingen en zwaartekrachtveranderingen die optreden tijdens de lancering.
Het maken van een chemische sensor voor ruimtereizen met behulp van nanocomponenten is erg belangrijk, zegt Joseph Stetter, directeur van het Microsystems Innovation Center bij SRI Internationaal , in Menlo Park, Californië. Dit is een waardevolle manier om dingen te benaderen en problemen in de ruimte op te lossen.
NASA-wetenschappers bouwden de nanosensoren door koolstofnanobuizen te coaten met verschillende polymeren die reageren met verschillende chemicaliën, of door de koolstofnanobuizen en nanodraden te doteren met verschillende katalytische metaaldeeltjes die als detectiemateriaal fungeren. Er zijn 32 detectiekanalen op een chip; afhankelijk van de te detecteren chemische stof worden verschillende nanostructuurmaterialen, koolstofnanobuisjes of metaaloxide-nanodraden - gecoat of ongecoat - in elk kanaal geplaatst. Wanneer een kleine hoeveelheid van de beoogde chemische stof de detectiematerialen raakt, veroorzaakt dit een reactie die ervoor zorgt dat de elektrische stroom die door de sensor vloeit, toeneemt of afneemt. De verschillende reacties vormen een patroon waarmee de sensor een gas kan identificeren.
Om de nanosensor te testen, injecteerden de wetenschappers stikstofdioxide in de kamer met de nanosensor. Zodra de stikstofdioxide in contact kwam met de meetmaterialen, kon de sensor de verandering in de elektriciteit die er doorheen ging meten. Tot nu toe hebben wetenschappers meer dan 15 chemicaliën getest, waaronder ammoniak, waterstofperoxide, waterstofchloride en formaldehyde.
Het gebruik van koolstofnanobuisjes om de chemicaliën te voelen kan aanzienlijke voordelen hebben, zegt Jiri Janata , een professor in de school voor chemie en biochemie aan het Georgia Institute of Technology. Ten eerste verhoogt het gebruik van nanostructuurmaterialen de oppervlakte-tot-volumeverhouding, waardoor de materialen meer gas kunnen absorberen en zo de gevoeligheid verbeteren.
Naast de potentieel verhoogde gevoeligheid, zijn de nanosensoren solid-state apparaten. Dit geeft de sensor een houdbaarheid van maximaal vijf jaar, vergeleken met de zes tot twaalf maanden van bestaande elektrochemische sensoren.
De sensorchip zelf is één centimeter in het kwadraat. In zijn elektronische pakket is het ongeveer 5,1 centimeter bij 6,4 centimeter bij 2,5 centimeter, en het is draadloos: het kan sensorgegevens van de ene hoek van een kamer naar de andere verzenden, of een afstand van 30 meter. Laag vermogen, klein formaat en laag gewicht zijn erg belangrijk in de ruimte, zegt Stetter. Het idee is dat we meer functionaliteit willen in kleinere pakketten, vooral gezien de kosten om iets in de ruimte te tillen.
NASA-wetenschappers hopen uiteindelijk de nanosensor aan boord van de shuttle, het internationale ruimtestation en andere voertuigen die bestemd zijn voor de ruimte te plaatsen. Ingenieurs van het Kennedy Space Center hebben ook interesse getoond in de sensor voor plaatsing in het lanceerplatform om brandstoflekken en chemische verspreiding langs de straal te controleren.
De technologie voor de sensoren is klaar voor de ruimte, zegt Li, maar voordat ze in een missie kunnen vliegen, moeten ze worden aangepast aan de chemicaliën die NASA wil detecteren. De sensoren zullen ook het ruimtekwalificatieproces van NASA moeten doorlopen, wat op zich al een langdurig avontuur kan zijn.