Jedním z cílů astrofyzikální divize agentury NASA je určit, zda jsme ve vesmíru sami. Astrofyzikální mise hledají odpověď na tuto otázku hledáním planet mimo Sluneční soustavy (takzvaných exoplanet), které by mohly hostit život. V průběhu posledních dvou dekád se vědcům podařilo vyvinout metody, kterými mohou podrobným pozorováním mateřských hvězd pomocí pokročilých teleskopů detekovat atmosféry exoplanet. Když světlo hvězdy projde atmosférou planety, případě se odrazí, či vyzáří z povrchu planety, teleskopy mohou změřit jeho intenzitu a spektrum (velmi zjednodušeně barvu). Vědci mohou analýzou těchto dat zaznamenat různé mezery ve spektru způsobené přítomností plynů v atmosféře dané exoplanety. Rozbory těchto vzorů pak vědcům umožňují určit, jaké plyny se v těchto atmosférách nacházejí.
Skládání Nancy Grace Roman Space Telescope. Dlouhé černé vzpěry, které drží sekundární zrcadlo dalekohledu, se na tzv. vawefornt error podílejí zhruba 30 %, zatímco větší podpůrná konstrukce pod primárním zrcadlem přispívá dalšími 30 %. Zdroj: https://assets.science.nasa.gov/
Dekódování těchto „chemických otisků prstů“ není nic snadného, protože se exoplanety z pohledu teleskopu nacházejí velmi blízko svých hvězd. Světlo z těchto hvězd je přitom miliardkrát silnější, než světlo z exoplanety o velikosti Země. K úspěšné detekci obyvatelných exoplanet bude plánovaný teleskop HWO (Habitable Worlds Observatory) z náhledového obrázku tohoto článku potřebovat dosáhnout kontrastního poměru jedna ku miliardě (1:1 000 000 000).
Dosažení tak extrémního kontrastního poměru bude vyžadovat teleskop, který je tisíckrát stabilnější než nejdokonalejší kosmické observatoře typu Teleskopu Jamese Webba, či nadcházejícího Nancy Grace Roman Space Telescope. Nové senzory, systémové architektury a materiály musí být integrovány do naprosto přesné souhry pro budoucí úspěch mise. Tým expertů z firmy ALLVAR spolupracuje s Marshallovým střediskem a Jet Propulsion Laboratory na demonstraci, jak může použití nového materiálu s jedinečnou negativní tepelnou expanzní charakteristikou pomoci realizovat ultrastabilní kosmické struktury.
Materiálová stabilita byla vždy omezujícím faktorem pro pozorování kosmických jevů. Už desítky let vědci a inženýři spolupracují na překonání výzev jako je tzv. mikrotečení (micro-creep), tepelné či vlhkostní rozpínání, které výrazně ovlivňují stabilitu teleskopu. Materiály, které se momentálně používají pro zrcadla teleskopů a pro všemožné výztuže, dramaticky zlepšily prostorovou stabilitu velkých observatoří (například Teleskopu Jamese Webba, či Nancy Grace Roman Space Telescope). Ovšem, jak už naznačil soubor doporučení pro další desetiletí od národních akademií věd z roku 2020, tyto hodnoty jsou stále daleko od úrovně stability na úrovni 10 pikometrů po dobu několika hodin, což bude potřebné pro HWO. Pro lepší představu, 10 pikometrů odpovídá zhruba jedné desetině průměru atomu.
Finance z NASA i jiných zdrojů pomohly přesunout nový materiál z laboratoří do komerční sféry. Firma ALLVAR obdržela finance od NASA v rámci programu SBIR (Small Business Innovative Research) na škálování výroby a také na výzkum možností integrace nové slitiny do demonstračních struktur kosmických teleskopů pro její případné využití na budoucích amerických misích, jako je například HWO. Tato slitina se po zahřátí smršťuje a po ochlazení naopak expanduje. Tato vlastnost se označuje jako negativní tepelná roztažnost (NTE = negative thermal expansion). Například ALLVAR Alloy 30 má za pokojové teploty koeficient tepelné roztažnosti CTE (coefficient of thermal expansion) -30 ppm/°C. To znamená, že metr dlouhý kus z této NTE slitiny se zkrátí o 0.003 mm s každým přidaným stupněm Celsia. Pro srovnání můžeme uvést, že hliník má hodnotu CTE +23 ppm/°C.
Zatímco jiné materiály se při zahřívání rozpínají a při ochlazování smršťují, slitina ALLVAR Alloy 30 vykazuje zápornou tepelnou roztažnost, která může kompenzovat nesoulad tepelné roztažnosti jiných materiálů. Tepelná deformace v závislosti na teplotě je znázorněna pro hliník 6061, nerezovou ocel A286, titan 6Al-4V, Invar 36 a slitinu ALLVAR Alloy 30. Zdroj: https://assets.science.nasa.gov/
Protože se ALLVAR Alloy 30 smršťuje v podmínkách, kdy se ostatní materiály rozpínají, mohou být z něj vyrobené díly strategicky rozmístěny v konstrukci, aby kompenzovaly rozpínání a smršťování dalších materiálů. Jedinečné NTE vlastnosti této látky, společně s nulovou expanzí vlivem vlhkosti, by mohly umožnit designérům optických prvků vyřešit potřeby stability budoucích teleskopových struktur. výpočty zatím ukazují, že zapracování ALLVAR Alloy 30 do určitých částí teleskopu může zlepšit jeho stabilitu až 200× ve srovnání s použitím tradičních materiálů jako je hliník, titan, uhlíkovými vlákny vyztužené polymery CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers), nebo slitina železa a niklu, známá jako Invar.
Aby demonstrovala, jak mohou slitiny s negativní tepelnou roztažností usnadnit cestu k ultrastabilním strukturám, vyvinula firma ALLVAR hexapodový stojan oddělující dvě zrcadla vyrobená z komerčně dostupného sklokeramického materiálu s ultranízkou tepelnou roztažností. K zrcadlům byl ¨připevněn Invar a k Invaru byly připevněny ohýbací prvky z Ti6Al4V – titanové slitiny běžně používané v letectví a kosmonautice. Pro kompenzaci komponentů Invar a Ti6Al4V s kladným CTE byla mezi ohýbacími díly Ti6Al4V použita trubka z NTE ALLVAR Alloy 30, která vytvořila vzpěry oddělující obě zrcadla. Přirozená kladná tepelná roztažnost součástí z Invaru a Ti6Al4V je kompenzována zápornou tepelnou roztažností vzpěr ze slitiny NTE, takže výsledkem je konstrukce s nulovou tepelnou roztažností.
Stabilita celé struktury byla zhodnocena na University of Florida, konkrétně na tamním Institutu pro vysokoenergetickou fyziku a astrofyziku. Hexapodový stojan vykázal stabilitu hluboko pod cílovou hodnotou 100 pm/√Hz, když se dostal na 11 pm/√Hz. Tato první iterace je blízko 10 pm stability, která je vyžadována pro budoucí HWO. Odborný článek a prezentace Společnosti inženýrů foto-optických přístrojů přinesly detaily o této analýze. Série testů provedených NASA Marshall navíc ukázala, že ultrastabilní vzpěry jsou schopny dosáhnout téměř nulové tepelné roztažnosti, která odpovídá zrcadlům ve výše uvedené analýze. Tento výsledek znamená změnu tvaru zrcadla při změně teploty o 28 K o méně než 5 nm (rms).
U sestavy hexapodu se vzpěrami z ALLVAR Alloy 30 byla měřena dlouhodobá stabilita. Stabilita jednotlivých vzpěr a sestavy hexapodu byla měřena pomocí interferometrie v Ústavu fyziky vysokých energií a astrofyziky Floridské univerzity. Bylo zjištěno, že délkový šum vzpěr je hluboko pod navrhovanou cílovou hodnotou kritérií úspěšnosti projektu. Zdroj: https://assets.science.nasa.gov/
Kromě ultrastabilních struktur umožnila technologie NTE slitin zvýšit výkon pasivních tepelných spínačů a byla použita k odstranění škodlivých účinků teplotních změn na šroubové spoje a infračervenou optiku. Tyto aplikace mohou ovlivnit technologie používané na dalších misích NASA. Kupříkladu, tyto nové slitiny byly integrovány do kryogenní podsestavy technologckého demonstrátoru koronografu na Nancy Grace Roman Space Telescope. Dodatečné NTE podložky umožnily použití pyrolytických grafitových tepelných svorek pro účinnější přenos tepla. ALLVAR Alloy 30 se také používá ve vysoce výkonném tepelném spínači, který byl zapracován do přístroje LuSEE Night od UC Berkeley Space Science Laboratory, která poletí na Měsíc na druhém landeru Blue Ghost od firmy Firefly Aerospace v rámci programu CLPS. NTE slitiny umožnily snížit rozměry tepelných spínačů a zlepšit poměry tepelné vodivosti při zapnutí a vypnutí pro LuSEE Night.
Ultrastabilní sestava hexapodu se slitinou ALLVAR Alloy 30 prochází interferometrickým testováním mezi 293K a 265K (vpravo). Vlevo jsou vizuálně znázorněny změny tzv. Root Mean Square (RMS) tvaru povrchu zrcadla. Tři zhruba kruhové červené oblasti jsou způsobeny tepelnou roztažností nesouladu invarových spojovacích podložek se zrcadlem ZERODUR, zatímco modré a zelené části vykazují malé nebo žádné změny způsobené tepelnou roztažností. Diagram povrchu ukazuje méně než 5 nanometrů efektivní změny ve tvaru zrcadla. Zdroj: https://assets.science.nasa.gov/
V rámci dalšího vývojového projektu v rámci programu SBIR navázali experti z firmy ALLVAR kontakt s pracovníky Jet Propulsion Laboratory. Jejich cílem bylo vypracovat podrobné tabulky materiálových vlastností slitiny ALLVAR Alloy 30. Tyto rozsáhlé datové sady obsahují statisticky významné materiálové vlastnosti, jako je pevnost, modul pružnosti, únava materiálu, či tepelná vodivost. Tým také nasbíral informace o méně známých vlastnostech jako je mikrotečení (micro-creep), či tzv. micro-yield. Když jsou tyto charakteristiky stanoveny, překonal ALLVAR Alloy 30 velkou překážku na své cestě ke kvalifikaci pro použití materiálu v kosmických aplikacích.
Tato technologie, kterou financovala i NASA, se však i nadále rozvíjí. Tým vyvíjí novou slitinu s volitelnou úrovní tepelného rozpínání, aby bylo možné vyrovnat rozpínání ostatních materiálu a dosáhnout celkově nulové hodnoty CTE. Nesoulad tepelné roztažnosti způsobuje problémy s rozměrovou stabilitou a silovým zatížením, což může mít dopad například na jaderné technologie, kvantové výpočty, letectví a obranu, optiku, základní fyziku a lékařské zobrazovací metody. Potenciální využití tohoto nového materiálu bude pravděpodobně sahat daleko za hranice astronomie. Například podložky a distanční podložky vyvinuté společností ALLVAR pro udržení konzistentního předpětí v extrémních teplotních rozmezích kosmického i pozemského prostředí jsou nyní komerčně dostupné. Tyto podložky a distanční podložky vynikají tím, že působí proti tepelné roztažnosti a smršťování jiných materiálů a zajišťují stabilitu pro náročné aplikace.
Abychom poskytli co nejlepší služby, používáme k ukládání a/nebo přístupu k informacím o zařízení, technologie jako jsou soubory cookies. Souhlas s těmito technologiemi nám umožní zpracovávat údaje, jako je chování při procházení nebo jedinečná ID na tomto webu. Nesouhlas nebo odvolání souhlasu může nepříznivě ovlivnit určité vlastnosti a funkce.
Funkční
Vždy aktivní
Technické uložení nebo přístup je nezbytně nutný pro legitimní účel umožnění použití konkrétní služby, kterou si odběratel nebo uživatel výslovně vyžádal, nebo pouze za účelem provedení přenosu sdělení prostřednictvím sítě elektronických komunikací.
Předvolby
Technické uložení nebo přístup je nezbytný pro legitimní účel ukládání preferencí, které nejsou požadovány odběratelem nebo uživatelem.
Statistiky
Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro statistické účely.Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro anonymní statistické účely. Bez předvolání, dobrovolného plnění ze strany vašeho Poskytovatele internetových služeb nebo dalších záznamů od třetí strany nelze informace, uložené nebo získané pouze pro tento účel, obvykle použít k vaší identifikaci.
Marketing
Technické uložení nebo přístup je nutný k vytvoření uživatelských profilů za účelem zasílání reklamy nebo sledování uživatele na webových stránkách nebo několika webových stránkách pro podobné marketingové účely.
