|
Структуры, необходимые для обнаружения экзопланет
|
|
|
|
Новый уникальный материал, который сжимается при нагревании и расширяется при охлаждении, может помочь в создании сверхстабильных космических телескопов, которые понадобятся будущим миссиям НАСА для поиска обитаемых миров.
|
|
|
|
Одна из целей отдела астрофизики НАСА - определить, одиноки ли мы во Вселенной. Астрофизические миссии НАСА стремятся ответить на этот вопрос, выявляя планеты за пределами нашей Солнечной системы (экзопланеты), на которых могла бы существовать жизнь. За последние два десятилетия ученые разработали способы обнаружения атмосферы на экзопланетах, внимательно наблюдая за звездами с помощью современных телескопов.
|
|
|
|
Когда свет проходит через атмосферу планеты, отражается или испускается от ее поверхности, телескопы могут измерять интенсивность и спектры (т.е. "цвет") света и обнаруживать различные изменения в освещении, вызванные газами в атмосфере планеты. Анализируя эти закономерности, ученые могут определить типы газов в атмосфере экзопланеты.
|
|
|
|
Расшифровка этих сдвигов - непростая задача, потому что экзопланеты появляются очень близко к своим звездам-хозяевам, когда мы наблюдаем их, и звездный свет в миллиард раз ярче, чем свет экзопланеты размером с Землю. Для успешного обнаружения пригодных для жизни экзопланет будущей обсерватории НАСА "Обитаемые миры" потребуется коэффициент контрастности один к одному миллиарду (1:1 000 000 000).
|
|
|
|
|
|
|
Для достижения такого экстремального коэффициента контрастности потребуется телескоп, который в 1000 раз более стабилен, чем современные космические обсерватории, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА и космический телескоп Нэнси Грейс Роман, который готовится к выпуску. Новые датчики, архитектура систем и материалы должны быть интегрированы и работать согласованно для достижения успеха в будущей миссии.
|
|
|
|
Команда из компании ALLVAR сотрудничает с Центром космических полетов имени Маршалла НАСА и Лабораторией реактивного движения НАСА, чтобы продемонстрировать, как использование нового материала с уникальными характеристиками отрицательного теплового расширения может помочь создать сверхстабильные конструкции телескопов.
|
|
|
|
Стабильность материалов всегда была ограничивающим фактором для наблюдения небесных явлений. На протяжении десятилетий ученые и инженеры работали над преодолением таких проблем, как микроползучесть, тепловое расширение и влагонепроницаемость, которые негативно влияют на стабильность телескопа.
|
|
|
|
Материалы, используемые в настоящее время для зеркал и стоек телескопов, значительно улучшили стабильность размеров таких крупных обсерваторий, как Webb и Roman, но, как указано в Десятилетнем обзоре по астрономии и астрофизике за 2020 год, подготовленном Национальными академиями наук, инженерии и медицины, они по-прежнему не дотягивают до 10-пикометрового уровня стабильности в течение длительного времени. несколько часов, которые потребуются для работы обсерватории обитаемых миров. Для сравнения, 10 пикометров - это примерно 1/10 диаметра атома.
|
|
|
|
Финансирование со стороны НАСА и других источников позволило перевести этот материал из лабораторных в коммерческие масштабы. Компания ALLVAR получила финансирование от NASA Small Business Innovative Research (SBIR) для масштабирования и интеграции нового материала из сплава в демонстрационные конструкции телескопов для потенциального использования в будущих миссиях НАСА, таких как обсерватория обитаемых миров.
|
|
|
|
Этот сплав сжимается при нагревании и расширяется при охлаждении — свойство, известное как отрицательное тепловое расширение (NTE). Например, коэффициент теплового расширения ALLVAR Alloy 30 составляет -30 частей на миллион/°C при комнатной температуре. Это означает, что заготовка из этого сплава NTE длиной 1 метр будет сжиматься на 0,003 мм при каждом повышении температуры на 1 °C. Для сравнения, алюминий расширяется при +23 ppm/°C.
|
|
|
|
Поскольку сплав ALLVAR Alloy 30 сжимается при растяжении других материалов, он может быть использован для стратегической компенсации расширения и сжатия других материалов. Уникальные свойства сплава NTE и отсутствие расширения от влаги могут позволить разработчикам оптических систем обеспечить стабильность конструкций будущих телескопов.
|
|
|
|
Расчеты показали, что использование ALLVAR Alloy 30 в некоторых конструкциях телескопов может повысить термическую стабильность до 200 раз по сравнению с использованием только традиционных материалов, таких как алюминий, титан, полимеры, армированные углеродным волокном (CFRPS), и никель–железного сплава Invar.
|
|
|
|
Чтобы продемонстрировать, что сплавы с отрицательным тепловым расширением могут создавать сверхстабильные структуры, команда ALLVAR разработала конструкцию hexapod для разделения двух зеркал, изготовленных из имеющегося в продаже стеклокерамического материала со сверхнизкими свойствами теплового расширения. К зеркалам был прикреплен инвар, а к инвару были прикреплены гибкие элементы, изготовленные из Ti6Al4V — титанового сплава, широко используемого в аэрокосмической промышленности.
|
|
|
|
Чтобы компенсировать положительное влияние компонентов Invar и Ti6Al4V, между изгибами Ti6Al4V была использована трубка из сплава NTE ALLVAR Alloy 30 для создания стоек, разделяющих два зеркала. Естественное положительное тепловое расширение компонентов Invar и Ti6Al4V компенсируется отрицательным тепловым расширением стоек из сплава NTE, в результате чего получается конструкция с эффективным нулевым тепловым расширением.
|
|
|
|
Стабильность структуры была оценена в Институте физики высоких энергий и астрофизики Флоридского университета. Структура hexapod продемонстрировала стабильность значительно ниже целевого значения в 100 пм/vГц и достигла 11 пм/vГц. Эта первая итерация близка к 10-часовой стабильности, необходимой для будущей обсерватории обитаемых миров. Подробная информация об этом анализе содержится в документе и презентации, сделанных на конференции Общества инженеров по фотооптическому приборостроению в августе 2021 года.
|
|
|
|
Кроме того, серия тестов, проведенных NASA Marshall, показала, что сверхустойчивые стойки смогли достичь почти нулевого теплового расширения, что соответствовало зеркалам в приведенном выше анализе. Этот результат выражается в изменении формы зеркала менее чем на 5 нм в виде среднеквадратичного значения (rms) при изменении температуры на 28 К.
|
|
|
|
Помимо сверхстабильных конструкций, технология NTE alloy позволила повысить эффективность пассивных термовыключателей и была использована для устранения негативного воздействия перепадов температур на болтовые соединения и инфракрасную оптику. Эти приложения могут повлиять на технологии, используемые в других миссиях НАСА. Например, эти новые сплавы были использованы в криогенном узле для демонстрации технологии коронографа Roman. Добавление шайб из NTE позволило использовать термопленки из пиролитического графита для более эффективной передачи тепла.
|
|
|
|
ALLVAR Alloy 30 также используется в высокоэффективном пассивном термовыключателе, включенном в проект Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли "Лунный эксперимент по электромагнетизму на поверхности Луны-Ночь" (LuSEE Night) на борту Blue Ghost Mission 2 компании Firefly Aerospace, который будет доставлен на Луну с помощью CLPS (Commercial Lunar Payload Services) НАСА.) инициатива. Сплавы NTE позволили уменьшить размер термовыключателя и повысить коэффициент теплопроводности при включении и выключении для LuSEE Night.
|
|
|
|
В рамках другой недавней работы НАСА по SBIR команда ALLVAR совместно с Лабораторией реактивного движения НАСА разработала подробные наборы данных о свойствах материала ALLVAR Alloy 30. Эти большие наборы данных включают статистически значимые свойства материала, такие как прочность, модуль упругости, усталость и теплопроводность. Команда также собрала информацию о менее распространенных свойствах, таких как микроползучесть и микротекучесть при растяжении. Охарактеризовав эти свойства, ALLVAR Alloy 30 преодолел главное препятствие на пути к квалификации материалов для космических полетов.
|
|
|
|
В рамках этой работы, финансируемой НАСА, команда разрабатывает новый сплав с регулируемыми свойствами теплового расширения, который может соответствовать другим материалам или даже достигать нулевого CTE. Несоответствие теплового расширения приводит к проблемам со стабильностью размеров и силовой нагрузкой, которые могут повлиять на такие области, как ядерная инженерия, квантовые вычисления, аэрокосмическая и оборонная промышленность, оптика, фундаментальная физика и медицинская визуализация.
|
|
|
|
Потенциальное применение этого нового материала, вероятно, выйдет далеко за рамки астрономии. Например, шайбы и прокладки, разработанные компанией ALLVAR, теперь доступны в продаже для поддержания постоянной предварительной нагрузки в экстремальных температурных диапазонах как в космосе, так и на земле. Эти шайбы и прокладки превосходно противодействуют тепловому расширению и сжатию других материалов, обеспечивая стабильность в сложных условиях эксплуатации.
|
|
|
|
Источник
|
