211service.com
Nanosensorer i rummet
Når man rejser ud over jordens atmosfære, er det afgørende at kunne måle niveauet af forskellige gasser, der kan sive ind i rumfartøjet. Faren er især alvorlig under lange missioner, hvor forurenende stoffer kan samle sig i lufttilførslen, hvilket truer sundheden for ethvert besætningsmedlem og funktionen af sofistikeret instrumentering. Forskere ved NASA Ames Research Center (ARC) og Goddard Space Flight Center bekæmper problemet med en ny kemisk nanosensor, den første af sin slags, der skal testes i rummet. Hver sensor er enten lavet af kulstof nanorør eller nanotråde, hvilket giver den høj følsomhed.
Rumsensorer: Den kemiske nanosensor udviklet af NASA blev monteret på flådens satellit Midstar-1 og sendt ud i rummet via Atlas V-raketten (øverste billede). Nanosensormodulet (midterste billede) er cirka 12 centimeter gange 12 centimeter gange 4 centimeter. Den indeholder et dataopsamlingskort, et prøveudtagningssystem, en tank med nitrogendioxid og sensorchippen (nederste billede). Nanosensoren er en en-centimeter-for-en-centimeter siliciumwafer, der har 32 kanaler til detektion og bruger forskellige nanostrukturmaterialer til sansning.
I marts rejste nanosensor-chippen, der kun vejede et par gram, ud i rummet i en elektronisk og mekanisk pakke ombord på Naval Academys Midstar-1 satellit, og blev sat på prøve i slutningen af maj. Ifølge Jing Li, den primære efterforsker og en seniorforsker ved NASA Ames, var sensoren i stand til at udholde de intense forhold, inklusive temperatur- og trykcyklusser, i rummet, såvel som de ekstreme vibrationer og tyngdekraftsændringer, der opstår under opsendelsen.
At lave en kemisk sensor til rumrejser ved hjælp af nanokomponenter er meget vigtigt, siger Joseph Stetter, direktør for Microsystems Innovation Center på SRI International , i Menlo Park, CA. Dette er en værdifuld måde at nærme sig ting og løse problemer i rummet.
NASA-forskere byggede nanosensorerne ved at belægge kulstofnanorør med forskellige polymerer, der reagerer med forskellige kemikalier, eller ved at dope kulstofnanorørene og nanotrådene med forskellige katalytiske metalpartikler, der fungerer som sansemateriale. Der er 32 følekanaler på en chip; afhængigt af det kemikalie, der skal påvises, sættes forskellige nanostrukturmaterialer, kulstofnanorør eller metaloxidnanotråde – belagte eller ubelagte – i hver kanal. Når en lille mængde af det målrettede kemikalie berører sensormaterialerne, udløser det en reaktion, der får den elektriske strøm, der strømmer gennem sensoren, til at stige eller falde. De forskellige reaktioner vil danne et mønster, som sensoren kan bruge til at identificere en gas.
For at teste nanosensoren sprøjtede forskerne nitrogendioxid ind i kammeret med nanosensoren. Når først nitrogendioxiden kom i kontakt med følematerialerne, var sensoren i stand til at måle ændringen i elektricitet, der passerede gennem den. Indtil videre har forskere testet mere end 15 kemikalier, herunder ammoniak, hydrogenperoxid, hydrogenchlorid og formaldehyd.
At bruge kulstof nanorør til at fornemme kemikalierne kan have betydelige fordele, siger Jiri Janata , professor ved skolen for kemi og biokemi ved Georgia Institute of Technology. For det første øger brugen af nanostrukturmaterialerne forholdet mellem overfladeareal og volumen, hvilket tillader materialerne at absorbere mere gas og dermed forbedre følsomheden.
Ud over den potentielle øgede følsomhed er nanosensorerne solid-state-enheder. Dette giver sensoren en holdbarhed på op til fem år sammenlignet med seks til tolv måneders levetid for eksisterende elektrokemiske sensorer.
Selve sensorchippen er en kvadratcentimeter. I sin elektroniske pakke er den omkring 5,1 centimeter gange 6,4 centimeter gange 2,5 centimeter, og den er trådløs: den kan overføre sensordata fra et hjørne af et rum til et andet eller en afstand på 30 meter. Lav effekt, lille størrelse og let vægt er meget vigtige i det ydre rum, siger Stetter. Tanken er, at vi ønsker mere funktionalitet i mindre pakker, især i betragtning af omkostningerne ved at løfte noget ud i rummet.
NASA-forskere håber på til sidst at placere nanosensoren ombord på rumfærgen, den internationale rumstation og andre køretøjer, der er bestemt til rummet. Ingeniører ved Kennedy Space Center har også vist interesse for sensoren til placering i affyringsrampeområdet for at overvåge brændstoflækager og kemisk spredning langs radius.
Teknologien til sensorerne er klar til rummet, siger Li, men før de kan flyve i en mission, skal de modificeres efter de kemikalier, som NASA er interesseret i at opdage. Sensorerne skal også igennem NASAs rumkvalificeringsproces, hvilket kan være et langt eventyr i sig selv.