Um revestimento ultra-escuro composto por fios quase invisíveis em forma de tapete felpudo feito de carbono puro está provando ser altamente versátil para todos os tipos de aplicações em voos espaciais.

Na aplicação mais recente do revestimento de nanotubo de carbono, engenheiro ótico John Hagopian, um empreiteiro do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e a cientista de Goddard, Lucy Lim, estão cultivando uma variedade de minúsculos, saliências em forma de botão de nanotubos de paredes múltiplas em uma pastilha de silício.

Os pontos, que medem apenas 100 mícrons de diâmetro - aproximadamente o tamanho de um cabelo humano - serviria como fonte de "munição" para uma sonda de minielétrons. Este tipo de instrumento analisa as propriedades químicas de rochas e solo em corpos sem ar, como a Lua ou um asteróide.

Embora a sonda ainda esteja no início de seu desenvolvimento de tecnologia, está se mostrando uma promessa, disse Lim, que está usando fundos dos Conceitos de Instrumentos Planetários da NASA para o Avanço do Programa de Observações do Sistema Solar, mais conhecido como PICASSO, para avançar o conceito.

The Nanotech-Sized Electron Gun

Chave para o instrumento de Lim, claro, são os nanotubos de carbono, que são excelentes emissores de elétrons. Descoberto em 1991, essas estruturas também exibem uma série de ferramentas eletrônicas úteis, propriedades magnéticas e mecânicas.

Para criar essas estruturas altamente versáteis, os técnicos colocam um wafer de silício ou algum outro substrato dentro de um forno. Enquanto o forno aquece, eles banham o substrato com uma matéria-prima de gás carbônico para produzir o revestimento fino de estruturas quase invisíveis em forma de cabelo.

Para o emissor de elétrons, Hagopian e Lim estão usando essa técnica para crescer minúsculo, pontos circulares de nanotubos de carbono em um padrão de grade que o ramo detector de Goddard modelou usando fotolitografia. Posicionados acima e abaixo da rede de pontos estão fios de silício ou traços e uma grade que produz duas tensões diferentes. Essas tensões criam um campo elétrico que ativa a liberação de elétrons contidos nos solavancos ou florestas do nanotubo de carbono.

Sob o conceito de instrumento de Lim, os feixes de elétrons então passariam por uma pilha de lentes eletrostáticas para acelerar sua velocidade e ajudar a focalizá-los em um alvo extraterrestre. Quando os elétrons atingem a amostra, o bombardeio excitaria os elementos contidos na amostra, produzindo raios X que um espectrômetro analisaria para identificar a composição química da amostra.

Melhorias significativas esperadas

Embora a NASA tenha voado com outros instrumentos que analisam amostras usando raios-X, O conceito de Lim e seu uso de nanotubos de carbono podem oferecer melhorias significativas.

O que é diferente em seu emissor de campo de elétrons baseado em nanotubos de carbono é seu tamanho pequeno e o fato de ser totalmente endereçável. "Seríamos capazes de escolher qual colisão ativar, "Lim disse." Nós seríamos capazes de analisar diferentes pontos na amostra individualmente. "

Em contraste, se o instrumento tivesse apenas uma fonte de elétrons, ele só poderia analisar uma parte da amostra, Lim disse. “Queremos obter mapas composicionais, "ela acrescentou." Sem o emissor endereçável, podemos não descobrir todos os minerais contidos em uma amostra, quão grandes eles são, ou a relação entre eles. "

Em teste, Lim demonstrou que as saliências emitem elétrons suficientes para excitar uma amostra. Além disso, Hagopian, que voou algumas amostras de revestimento na Estação Espacial Internacional em 2014, provou que a tecnologia pode sobreviver a uma excursão ao espaço sideral.

O time, que também inclui Larry Hess com Goddard's Detector Branch, está se aproximando dos desafios técnicos e conhece os trabalhos da nanotecnologia conforme previsto. Contudo, obstáculos permanecem, disse Hagopian, o fundador da Lanham, Advanced Nanophotonics, com sede em Maryland. Empacotar a grade baseada em nanotubos em um pacote minúsculo e, em seguida, conectá-la aos componentes eletrônicos do instrumento "é difícil, "Hagopian disse. No entanto, a equipe acredita que pode demonstrar a sonda de elétrons baseada em nanotubos dentro de alguns anos sob o esforço de pesquisa financiado pela NASA.

Supressão de Straylight

Em uma aplicação completamente diferente e talvez mais conhecida, A Hagopian está desenvolvendo revestimentos para absorver a luz difusa que pode ricochetear nos componentes do instrumento e, por fim, contaminar as medições.

Em teste, os revestimentos de nanotubos de carbono têm se mostrado altamente eficazes na absorção de 99,8% da luz que os atinge e é a razão pela qual parecem muito pretos. Quando a luz penetra na floresta de nanotubos, pequenos espaços entre os tubos evitam que a luz salte. Contudo, essas lacunas não absorvem a luz. O campo elétrico da luz excita elétrons nos nanotubos de carbono, transformando a luz em calor e absorvendo-a efetivamente, Hagopian disse.

Para pesquisadores do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland, Hagopian está crescendo nanotubos com padrões complexos em um componente que muda o padrão de luz que foi difratado nas bordas das estruturas do telescópio usando máscaras coronográficas, que bloqueiam a luz das estrelas, Hagopian disse. O programa de Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas da NASA financiou o esforço.

Ele também está colaborando com o investigador principal Antonio Mannino para criar um revestimento que evite que a luz difusa contamine as medições coletadas por um novo instrumento chamado Coastal Ocean Ecosystem Dynamics Imager, ou COEDI. Este espectrômetro hiperespectral está sendo projetado para monitorar a cor do oceano a partir da órbita geoestacionária - medições que cientistas e outros poderiam usar para avaliar e gerenciar os recursos costeiros.

"Comecei a trabalhar com John [Hagopian] há dois anos, quando descobri em testes que a luz perdida seria um problema com o COEDI, "disse Mannino, que está desenvolvendo seu instrumento também com financiamento de P&D da NASA. "Pedimos a ele que nos ajudasse com o problema. Acho que ele está perto de resolvê-lo."