Um dos componentes mais importantes dos satélites que permitem as telecomunicações é o guia de ondas, que é um tubo metálico para guiar as ondas de rádio. É também uma das cargas úteis mais pesadas que os satélites carregam em órbita. Tal como acontece com toda a tecnologia espacial, reduzir o peso significa reduzir a quantidade de combustível caro e produtor de gases de efeito estufa necessário para lançar um foguete ou aumentar o número de dispositivos transportados pelo mesmo foguete para o espaço.



Pesquisadores da Universidade Drexel e da Universidade da Colúmbia Britânica estão tentando aliviar a carga criando e testando um guia de ondas feito de polímeros impressos em 3D revestidos com um nanomaterial condutor chamado MXene.

Em seu artigo publicado recentemente na revista Materials Today , o grupo relatou o potencial do uso de revestimentos MXene para conferir condutividade elétrica a componentes leves e não condutores – uma propriedade sacrificada na fabricação aditiva usando materiais poliméricos, como plásticos.

"Em aplicações de voos espaciais, cada grama extra de peso conta", disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e professor de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel, que é líder na pesquisa MXene. "Os materiais MXene fornecem um dos revestimentos mais finos possíveis - seus flocos têm a espessura de alguns átomos - que podem criar uma superfície condutora, por isso vemos um grande potencial no uso de MXenes para tratar componentes fabricados com aditivos feitos de polímeros que possuem formas complexas."

Os guias de ondas funcionam como tubulações para microondas. Eles direcionam as ondas para os receptores enquanto preservam a potência do sinal. No forno micro-ondas, os guias de ondas garantem o aquecimento dos alimentos; num satélite, transferem sinais de alta qualidade entre diferentes objetos dentro e entre satélites, bem como entre satélites e a Terra.

E, como a intrincada rede de tubos que serpenteia por uma casa, os guias de onda são projetados em vários formatos para caber em espaços confinados. Eles podem variar desde canais simples e retos até estruturas tão complexas quanto um labirinto.

"Os guias de onda podem ser tão básicos quanto um canal reto e retangular, ou podem se transformar em formas que lembram um 'canudo maluco', com curvas e torções", disse Mohammad Zarifi, professor associado que estuda comunicação por microondas na Universidade da Colúmbia Britânica e liderou os esforços de engenharia e design elétrico da equipe. “A verdadeira mudança de jogo, no entanto, é o advento dos métodos de fabricação aditiva, que permitem projetos mais complexos que podem ser difíceis de produzir com metais”.

Embora praticamente qualquer tubo oco pudesse ser usado como um “guia de ondas” primitivo, aqueles que transmitem ondas eletromagnéticas – em fornos de micro-ondas e dispositivos de telecomunicações, por exemplo – devem ser feitos de um material condutor para preservar a qualidade da transmissão. Esses guias de ondas são normalmente feitos de metais como prata, latão e cobre. Nos satélites, o alumínio é a escolha mais leve.

Os pesquisadores da Drexel, que descobriram os MXenes pela primeira vez em 2011 e lideram sua pesquisa e desenvolvimento desde então, sugeriram que os nanomateriais 2D seriam um bom candidato como revestimento para os componentes plásticos dos guias de onda com base em suas descobertas anteriores de que os MXenes podem bloquear e canalizar eletromagnéticos. radiação.

"Nosso revestimento MXene surgiu como um forte candidato para esta aplicação porque é altamente condutivo, funciona como um escudo eletromagnético e pode ser produzido simplesmente mergulhando o guia de ondas em MXenes dispersos em água", disse Lingyi Bi, Ph.D. candidato no grupo de Gogotsi. “Outras tintas metálicas foram testadas, mas devido aos produtos químicos usados ​​para estabilizar seus ingredientes metálicos, sua condutividade é prejudicada em comparação aos MXenes.”

Além disso, os pesquisadores relataram que o revestimento MXene aderiu excepcionalmente bem aos guias de ondas de náilon impressos em 3D devido à compatibilidade entre suas estruturas químicas. A equipe revestiu guias leves de vários formatos e tamanhos - retos, dobrados, torcidos e em formato de ressonador - para testar a capacidade do MXene de cobrir completamente seu interior.

Os guias de onda de náilon revestidos com MXene pesam cerca de oito vezes menos do que os de alumínio padrão usados ​​atualmente, e o revestimento MXene adicionou apenas um décimo de grama ao peso total dos componentes.

Mais importante ainda, os guias de onda MXene tiveram um desempenho quase tão bom quanto seus equivalentes de alumínio, mostrando uma eficiência de 81% na orientação de ondas eletromagnéticas entre dois terminais após apenas um ciclo de revestimento por imersão, uma queda de apenas 2,3% em relação ao desempenho do alumínio. Os pesquisadores demonstraram que poderiam melhorar essa métrica de transmissão variando as camadas de revestimento ou o tamanho dos flocos MXene – alcançando uma eficiência de transmissão máxima de 95%.

Este desempenho manteve-se estável quando a transmissão foi discada para as diferentes bandas de frequência, como aquelas atualmente usadas em comunicações por satélite em órbita terrestre baixa, e uma potência de entrada suficientemente alta para essas transmissões. Também não se degradou significativamente após três meses, um indicador da durabilidade do revestimento.

“Os guias de ondas revestidos com MXene ainda precisam passar por testes extensivos e serem certificados para uso espacial antes de poderem ser usados ​​em satélites”, disse Roman Rakhmanov, doutorando na Drexel que participou da pesquisa. “Mas esta descoberta pode ser um passo importante em direção à próxima geração de tecnologia espacial”.

A equipe de Gogotsi planeja continuar a explorar os revestimentos MXene em aplicações que poderiam se beneficiar de uma alternativa aos componentes metálicos.

“Esses resultados promissores sugerem que os componentes revestidos com MXene podem ser um substituto leve e viável para guias de onda usados ​​no espaço”, disse Gogotsi. “Acreditamos que os revestimentos também poderiam ser otimizados para transmissões de frequências variadas e aplicados a uma variedade de componentes poliméricos fabricados com aditivos ou moldados por injeção, fornecendo uma alternativa leve e de baixo custo aos metais também em diversas aplicações terrestres. "

Mais informações: Omid Niksan et al, MXene orienta microondas através de estruturas poliméricas 3D, Materials Today (2024). DOI:10.1016/j.mattod.2023.12.013
Fornecido pela Universidade Drexel