Graças à engenhosidade humana e à gravidade zero, colhemos benefícios importantes da ciência no espaço. Considere smartphones com sistemas de navegação e câmeras integrados.



Essas tecnologias transformacionais parecem misturar-se ao ritmo da nossa vida quotidiana da noite para o dia. Mas surgiram de anos de descobertas e desenvolvimentos de materiais que podem resistir a ambientes agressivos fora da nossa atmosfera. Eles evoluem a partir de décadas de lançamento de bases na ciência básica para compreender como os átomos se comportam em diferentes materiais sob diferentes condições.

Com base neste passado, uma equipa global de investigadores estabeleceu uma nova referência para futuras experiências de produção de materiais no espaço e não para o espaço. A equipe incluiu membros dos laboratórios nacionais Oak Ridge e Argonne do Departamento de Energia, Materials Development, Inc., NASA, Agência de Exploração Aeroespacial do Japão, ou JAXA, ISIS Neutron and Muon Source, Alfred University e University of New Mexico. Juntos, eles descobriram que muitos tipos de vidro, incluindo aqueles que poderiam ser desenvolvidos para dispositivos ópticos de próxima geração, têm estrutura e arranjos atômicos semelhantes e podem ser fabricados com sucesso no espaço.

O artigo da equipe foi publicado na revista npj Microgravity .

"A ideia é sentir os mecanismos por trás da fabricação baseada no espaço, que podem levar a materiais que não estão necessariamente disponíveis na Terra", disse Jörg Neuefeind, que se juntou ao ORNL em 2004 para construir um instrumento chamado NOMAD na Spallation Neutron Source do laboratório. (SNS). NOMAD, o difratômetro de nêutrons mais rápido do mundo, ajuda os cientistas a medir o arranjo dos átomos observando como os nêutrons ricocheteiam neles. O NOMAD é um dos 20 instrumentos do SNS que ajudam os cientistas a responder a grandes questões e a estimular inúmeras inovações, como medicamentos que tratam doenças de forma mais eficaz, motores de aeronaves e foguetes mais confiáveis, carros com melhor consumo de combustível e baterias que são mais seguras, carregam mais rápido e duram mais. .

Os operadores da JAXA na Terra fabricaram e derreteram vidro a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS), por meio de controle remoto usando um levitador. Levitadores são usados ​​para suspender amostras de materiais durante experimentos para evitar interferência do contato com outros materiais.

Assim que a próxima missão da ISS terminou, meses depois, e o vidro espacial foi trazido para a Terra, os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas que incluíam nêutrons, raios X e microscópios poderosos para medir e comparar o vidro feito e derretido celestialmente com o terrestre.

“Descobrimos que com técnicas sem recipientes, como o levitador, podemos criar vidros não convencionais em microgravidade”, disse Takehiko Ishikawa da JAXA, pioneiro do levitador eletrostático usado para fazer as esferas de vidro a bordo da ISS.

Os pesquisadores confiaram no NOMAD do SNS para estudar as amostras de vidro com nêutrons e linhas de luz na Advanced Photon Source de Argonne para estudar as amostras com raios-X. Tanto o SNS quanto o APS são instalações de usuários do DOE Office of Science.

"Há um limite de material que você pode voar para o espaço e voltar, e essa foi na verdade uma das razões pelas quais o NOMAD foi tão adequado para este experimento", disse Stephen Wilke da Materials Development Inc., e cientista visitante em Argonne. . "Estávamos recebendo apenas contas únicas de vidro com cerca de um oitavo de polegada de diâmetro, que são muito difíceis de medir em termos de estrutura atômica. Como o NOMAD é excelente na medição de amostras extremamente pequenas, ele nos permitiu comparar facilmente contas individuais que fizemos no laboratório com aqueles feitos na estação espacial."

Mistérios do vidro

Acontece que o vidro não é tão claro. Ao contrário dos sólidos cristalinos, como o sal, os átomos de vidro não possuem uma estrutura uniforme. Seu arranjo atômico incomum, embora notavelmente estável, talvez seja melhor descrito como uma rede aleatória de moléculas que compartilham átomos coordenados. Nem totalmente sólido nem totalmente líquido, o vidro também vem em diferentes formas, incluindo polímero, óxido e metálico, como para lentes de óculos, fios de fibra óptica e hardware para missões no espaço profundo.

Em 2022, Neuefeind, Wilke e Rick Weber, um especialista da indústria de vidro, fizeram experiências com dois óxidos de neodímio e titânio e descobriram um potencial para aplicações ópticas. A combinação destes dois elementos apresenta forças incomuns não vistas em campanhas de investigação semelhantes. Essas descobertas os levaram a prosseguir seus estudos atuais com a NASA.

"[O experimento em 2022] nos ensinou algo realmente notável", disse Weber, da Materials Development Inc. "Um dos vidros tem uma rede completamente diferente de uma rede normal de quatro coordenadas típica da sílica. Esses vidros têm seis -coordenada. Eles estão realmente por aí. É emocionante do ponto de vista da ciência do vidro, mas, na prática, também significa mais oportunidades para fazer coisas novas com materiais ópticos e novos tipos de dispositivos.

Os cientistas utilizam frequentemente neutrões e raios X em paralelo para recolher dados que nenhuma outra técnica consegue produzir, permitindo-nos compreender a disposição dos átomos de diferentes elementos numa amostra. Os nêutrons ajudaram a equipe a ver os elementos mais leves no vidro espacial, como o oxigênio, enquanto os raios X ajudaram a equipe a ver os elementos mais pesados, como o neodímio e o titânio. Se existissem diferenças significativas entre o vidro espacial e o vidro terrestre, elas provavelmente teriam aparecido na sub-rede de óxido, ou no arranjo dos átomos de oxigênio, na distribuição dos átomos pesados, ou em ambos.

Os nêutrons se tornarão ferramentas cada vez mais importantes para desvendar os mistérios da matéria à medida que os cientistas exploram novas fronteiras, apesar do espaço.

“Devemos compreender não apenas os efeitos do espaço na matéria, mas também os seus efeitos na forma como as coisas se formam”, disse Neuefeind. "Devido às suas propriedades únicas, os nêutrons fazem parte da solução desse tipo de quebra-cabeça."