211service.com
Nanosensoren im Weltraum
Bei Reisen über die Erdatmosphäre hinaus ist es entscheidend, den Füllstand verschiedener Gase, die in das Raumfahrzeug eindringen können, angemessen messen zu können. Die Gefahr ist bei langen Missionen besonders groß, wenn sich Schadstoffe in der Luftversorgung ansammeln können, die die Gesundheit aller Besatzungsmitglieder und die Funktion hochentwickelter Instrumente bedrohen. Wissenschaftler bei NASA-Ames-Forschungszentrum (ARC) und Goddard Space Flight Center bekämpfen das Problem mit einem neuen chemischen Nanosensor, der als erster seiner Art im Weltraum getestet wurde. Jeder Sensor besteht entweder aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Nanodrähten, was ihm eine hohe Empfindlichkeit verleiht.
Weltraumsensoren: Der von der NASA entwickelte chemische Nanosensor wurde auf dem Navy-Satelliten montiert Midstar-1 und über die Atlas-V-Rakete ins All geschossen (Bild oben). Das Nanosensor-Modul (mittleres Bild) ist etwa 12 Zentimeter mal 12 Zentimeter mal 4 Zentimeter groß. Es enthält eine Datenerfassungsplatine, ein Probenahmesystem, einen Tank mit Stickstoffdioxid und den Sensorchip (unteres Bild). Der Nanosensor ist ein 1-Zentimeter-mal-ein-Zentimeter-Siliziumwafer, der 32 Kanäle für die Detektion hat und verschiedene Nanostrukturmaterialien für die Sensorik verwendet.
Im März reiste der nur wenige Gramm leichte Nanosensor-Chip in einem elektronischen und mechanischen Paket an Bord der Naval Academy . ins All Midstar-1 Satelliten und wurde Ende Mai auf die Probe gestellt. Laut Jing Li, dem leitenden Forscher und leitenden Wissenschaftler bei NASA Ames, konnte der Sensor den intensiven Bedingungen im Weltraum, einschließlich Temperatur- und Druckzyklen, sowie den extremen Vibrationen und Schwerkraftänderungen, die während des Starts auftreten, standhalten.
Die Entwicklung eines chemischen Sensors für die Raumfahrt mit Nanokomponenten ist von großer Bedeutung, sagt Joseph Stetter, Direktor des Microsystems Innovation Center at SRI International , in Menlo Park, Kalifornien. Dies ist eine wertvolle Möglichkeit, an Dinge heranzugehen und Probleme im Weltraum zu lösen.
NASA-Wissenschaftler bauten die Nanosensoren, indem sie Kohlenstoffnanoröhren mit verschiedenen Polymeren beschichteten, die mit verschiedenen Chemikalien reagieren, oder indem sie die Kohlenstoffnanoröhren und -drähte mit verschiedenen katalytischen Metallpartikeln dotieren, die als Sensormaterial dienen. Es gibt 32 Abtastkanäle auf einem Chip; Je nach zu detektierender Chemikalie werden in jeden Kanal verschiedene Nanostrukturmaterialien, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Metalloxid-Nanodrähte – beschichtet oder unbeschichtet – eingebracht. Wenn eine kleine Menge der Zielchemikalie das Sensormaterial berührt, löst dies eine Reaktion aus, die dazu führt, dass der durch den Sensor fließende elektrische Strom zu- oder abnimmt. Die unterschiedlichen Reaktionen bilden ein Muster, mit dem der Sensor ein Gas identifizieren kann.
Um den Nanosensor zu testen, injizierten die Wissenschaftler Stickstoffdioxid in die Kammer mit dem Nanosensor. Sobald das Stickstoffdioxid mit den Sensormaterialien in Kontakt kam, war der Sensor in der Lage, die Änderung der durch ihn fließenden Elektrizität zu messen. Bisher haben Wissenschaftler mehr als 15 Chemikalien getestet, darunter Ammoniak, Wasserstoffperoxid, Chlorwasserstoff und Formaldehyd.
Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren zum Erfassen der Chemikalien kann erhebliche Vorteile haben, sagt Jiri Janata , Professor an der Fakultät für Chemie und Biochemie am Georgia Institute of Technology. Zum einen erhöht die Verwendung der Nanostrukturmaterialien das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wodurch die Materialien mehr Gas absorbieren und somit die Empfindlichkeit verbessern.
Neben der potentiell erhöhten Empfindlichkeit sind die Nanosensoren Festkörperbauelemente. Dadurch hat der Sensor eine Haltbarkeit von bis zu fünf Jahren, verglichen mit der Lebensdauer bestehender elektrochemischer Sensoren von sechs bis zwölf Monaten.
Der Sensorchip selbst ist ein Quadratzentimeter groß. In seiner elektronischen Verpackung ist es etwa 5,1 Zentimeter mal 6,4 Zentimeter mal 2,5 Zentimeter groß, und es ist drahtlos: Es kann Sensordaten von einer Ecke eines Raums in eine andere oder aus einer Entfernung von 30 Metern übertragen. Geringer Stromverbrauch, geringe Größe und geringes Gewicht sind im Weltraum sehr wichtig, sagt Stetter. Die Idee ist, dass wir mehr Funktionalität in kleineren Paketen wünschen, insbesondere angesichts der Kosten, um etwas in den Weltraum zu heben.
NASA-Wissenschaftler hoffen, den Nanosensor schließlich an Bord des Shuttles, der Internationalen Raumstation und anderer für den Weltraum bestimmten Fahrzeugen platzieren zu können. Ingenieure des Kennedy Space Center haben auch Interesse an dem Sensor für die Platzierung im Bereich der Startrampe gezeigt, um Treibstofflecks und chemische Ausbreitung entlang des Radius zu überwachen.
Die Technologie für die Sensoren sei weltraumtauglich, sagt Li, aber bevor sie in einer Mission fliegen können, müssen sie den Chemikalien angepasst werden, die die NASA nachweisen möchte. Die Sensoren müssen auch den Weltraumqualifizierungsprozess der NASA durchlaufen, der allein ein langes Abenteuer sein kann.