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2024-02-07 20:21:04
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わかりました！ グラフィカルな抽象。 クレジット: 今日の資料 (2024)。 DOI: 10.1016/j.mattod.2023.12.013
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グラフィカルな抽象。 クレジット: 今日の資料 (2024)。 DOI: 10.1016/j.mattod.2023.12.013
電気通信を可能にする衛星の最も重要なコンポーネントの 1 つは、電波を導くための金属管である導波管です。 また、衛星が軌道に乗せるペイロードの中で最も重いものの一つでもあります。 すべての宇宙技術と同様に、重量を減らすということは、ロケットの打ち上げに必要な高価で温室効果ガスを発生する燃料の量を減らすこと、または同じロケットで宇宙に運ぶ機器の数を増やすことを意味します。
ドレクセル大学とブリティッシュコロンビア大学の研究者らは、MXeneと呼ばれる導電性ナノ材料でコーティングされた3Dプリントポリマーで作られた導波路を作成し、テストすることで負荷を軽減しようとしている。
最近雑誌に掲載された論文の中で 今日の材料、このグループは、MXene コーティングを使用して軽量の非導電性コンポーネントに耐衝撃性を与える可能性について報告しました。 電気伝導性– プラスチックなどのポリマー材料を使用する積層造形では犠牲になる特性。
「宇宙飛行の用途では、重量の追加グラムがすべて重要です」と、MXene 研究のリーダーである、著名な大学であり、ドレクセル大学工学部のバッハ教授であるユーリー・ゴゴツィ博士は述べています。 「MXene 材料は可能な限り最も薄いコーティングの 1 つを提供し、そのフレークは数原子分の厚さであり、導電性表面を作成できるため、MXene を使用して、 複雑な形状。」
導波管はマイクロ波のパイプラインとして機能します。 信号のパワーを維持しながら、波を受信機に向けます。 電子レンジでは、導波管が食品を確実に加熱します。 衛星上では、衛星内および衛星間のさまざまな物体間、および衛星と地球間で高品質の信号が転送されます。
そして、家の中を曲がりくねったパイプの複雑なネットワークのように、導波管は限られたスペースに収まるようにさまざまな形状に設計されています。 単純な直線的な水路から迷路のような複雑な構造まで多岐にわたります。
ブリティッシュコロンビア大学でマイクロ波通信を研究するモハマド・ザリフィ准教授は、「導波管は真っ直ぐな長方形のチャネルと同じくらい基本的なものにすることも、曲げたりねじったりして『クレイジーストロー』に似た形状に変形させることもできる」と述べた。チームの電気工学と設計の取り組みを主導しました。 「しかし、本当のゲームチェンジャーは、 積層造形 この方法により、金属では製造が難しい、より複雑なデザインが可能になります。」
ほぼすべての中空管を原始的な「導波管」として使用できますが、電子レンジや電気通信機器など、電磁波を送信する管は、送信の品質を維持するために導電性材料で作られていなければなりません。 これらの導波路は通常、銀、真鍮、銅などの金属で作られています。 人工衛星では、アルミニウムが軽量の選択肢となります。
ドレクセルの研究者らは、 MXenes は 2011 年に初めて発見されました それ以来、研究開発を主導してきましたが、2D ナノマテリアルが優れた候補であることを示唆しました。 コーティング プラスチック導波管コンポーネントについては、以前の発見に基づいて、 MXenes は電磁放射をブロックし、誘導することができます。
「当社のMXeneコーティングは、導電性が高く、電磁シールドとして機能し、単に浸漬するだけで製造できるため、この用途の有力な候補として浮上しました。 導波管 ゴゴツィ氏のグループの博士課程候補者リンギ・ビ氏は、「他のメタリック塗料もテストされているが、金属成分を安定させるために使用される化学薬品のせいで、MXenesに比べて導電率が低下する」と語った。
さらに研究者らは、MXene コーティングが 3D プリントされたナイロン導波路に化学構造間の互換性により非常によく接着したと報告しました。 チームは、ストレート、ベント、ツイスト、レゾネーター形状など、さまざまな形状とサイズの軽量ガイドをディップ コーティングし、内部を完全にカバーする MXene の能力をテストしました。
MXene コーティングされたナイロン導波管の重量は、現在使用されている標準的なアルミニウム導波管の約 8 分の 1 であり、MXene コーティングによりコンポーネントの総重量が増加するのはわずか 10 分の 1 グラムです。
最も重要なことは、MXene 導波管はアルミニウム製の導波管とほぼ同等の性能を発揮し、導波効率が 81% であることです。 電磁波 わずか 1 サイクルのディップ コーティング後の 2 つの端子間のパフォーマンスは、アルミニウムの性能からわずか 2.3% 低下します。 研究者らは、コーティング層や MXene フレークのサイズを変えることでこの透過率を改善できることを実証し、最高透過率 95% に達しました。
この性能は、現在低軌道衛星通信で使用されている周波数帯など、さまざまな周波数帯にダイヤルアップして送信し、これらの送信に十分に高い入力電力を与えた場合でも、安定した性能を維持しました。 また、コーティングの耐久性の指標となる、3 か月後でも大幅な劣化はありませんでした。
「MXeneでコーティングされた導波管は、衛星で使用する前に、広範なテストを経て宇宙使用の認定を受ける必要がある」と、研究に参加したドレクセルの博士候補者ロマン・ラフマノフ氏は述べた。 「しかし、この発見は次世代の社会に向けた重要な一歩となる可能性があります。」 宇宙技術。」
Gogotsi のチームは、金属コンポーネントの代替品から恩恵を受ける可能性のある用途での MXene コーティングの探求を継続する予定です。
「これらの有望な結果は、MXene でコーティングされたコンポーネントが、宇宙で使用される導波管の軽量代替品として実現可能である可能性があることを示唆しています」とゴゴツィ氏は述べました。 「このコーティングは、さまざまな周波数の伝送用に最適化することもでき、さまざまな積層造形または射出成形ポリマー部品に適用でき、多くの地上用途でも金属に代わる軽量かつ低コストの代替品を提供できると考えています。 」
詳しくは：
Omid Niksan et al、MXene は 3D ポリマー構造を通じてマイクロ波をガイドします、 Materials Today (2024)。 DOI: 10.1016/j.mattod.2023.12.013
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