石墨烯研究又跨出重要一步——進(jìn)入太空不再遙遠(yuǎn)

石墨烯研究又跨出重要一步——進(jìn)入太空不再遙遠(yuǎn)

圖為石墨烯旗艦項(xiàng)目中，研究人員進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)所使用的飛機(jī)。Novespace公司負(fù)責(zé)管理操作，通過(guò)在飛機(jī)內(nèi)創(chuàng)造零重力條件以進(jìn)行特殊的試驗(yàn)。

石墨烯旗艦項(xiàng)目的科學(xué)技術(shù)官員、英國(guó)劍橋大學(xué)教授Andrea Ferrari表示：“正如我們所知，石墨烯在很多方面應(yīng)用廣泛，其中就包括太空應(yīng)用（早期就被人們意識(shí)到）。此次在模擬太空環(huán)境的條件下對(duì)石墨烯進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試在全世界范圍內(nèi)還是第一次。”

石墨烯優(yōu)異的熱特性有望提高環(huán)路熱管（航空航天和衛(wèi)星應(yīng)用中使用的熱控制系統(tǒng)）的工作性能。同時(shí)，石墨烯重量輕，能夠與光發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，因此其也可用于太空推進(jìn)。石墨烯旗艦項(xiàng)目在2017年11月和12月的試驗(yàn)中對(duì)這兩個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試。

環(huán)路熱管的主要元件是金屬芯，其將熱量從熱物體轉(zhuǎn)移到流動(dòng)液體中以冷卻系統(tǒng)。研究者對(duì)兩種不同類(lèi)型的石墨烯進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試工作由比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)微重力研究中心（Microgravity Research Center）、英國(guó)劍橋大學(xué)劍橋石墨烯中心；意大利國(guó)家研究理事會(huì)（CNR）的有機(jī)合成與光反應(yīng)研究所、微電子與微系統(tǒng)研究所；同時(shí)還有意大利的行業(yè)合作伙伴萊昂納多?斯帕（Leonardo Spa）（其是航空航天領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，主要經(jīng)營(yíng)航天系統(tǒng)和高科技儀器制造業(yè)務(wù)以及發(fā)射和在軌服務(wù)、衛(wèi)星服務(wù)的管理）共同合作完成。

萊昂納多空間業(yè)務(wù)的首席技術(shù)官M(fèi)arco Molina博士說(shuō)：“我們的目標(biāo)是延長(zhǎng)衛(wèi)星和太空探測(cè)器的使用壽命，并提高其自主性。通過(guò)添加石墨烯，我們可以獲得更加可靠的環(huán)路熱管——能夠在太空中自主運(yùn)行?！?br>
在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試中取得良好的結(jié)果后，研究人員又在11月和12月對(duì)環(huán)路熱管的金屬芯進(jìn)行了兩次ESA拋物線(xiàn)飛行試驗(yàn)。Ferrari 教授補(bǔ)充道：“我們已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室里的測(cè)試，結(jié)果喜人?？紤]到這些器件將用在衛(wèi)星中，因此，我們需要模擬衛(wèi)星的發(fā)射條件，從而了解芯片在低重力條件以及超重力條件下的性能。”

在拋物線(xiàn)飛行條件下進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)的布魯塞爾自由大學(xué)的學(xué)生Vanja Miskovic感嘆道：“這真是太神奇了。這種感覺(jué)令人難以置信。在這種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不僅非常有趣，而且還能享受自由浮動(dòng)的樂(lè)趣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都棒極了?！?br>
拋物線(xiàn)飛行試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了金屬芯性能的提高，因此石墨烯旗艦項(xiàng)目將繼續(xù)研發(fā)基于石墨烯的環(huán)路熱管，以期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。石墨烯旗艦項(xiàng)目副總監(jiān)Vincenzo Palermo（CNR）說(shuō)道：“我認(rèn)為這是表現(xiàn)旗艦項(xiàng)目工作方式的一個(gè)很好的例子：將三個(gè)學(xué)術(shù)合作伙伴和一個(gè)擁有明確發(fā)展目標(biāo)的大行業(yè)凝聚在一起。目前，我們已經(jīng)完成了對(duì)該設(shè)備原理及核心部件的測(cè)試工作。下一步將優(yōu)化整個(gè)設(shè)備，并制備出能夠在衛(wèi)星上工作的完整的環(huán)路熱管?！?br>
由來(lái)自荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)（TU Delft）的一個(gè)博士生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行石墨烯在太空推進(jìn)方面的測(cè)試工作。他們參加了歐洲空間局（ESA）組織的“放棄你的論文！”活動(dòng)，從而獲得了在德國(guó)不來(lái)梅的ZARM Drop Tower進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。為了創(chuàng)造極端微重力條件——僅為地球重力的百萬(wàn)分之一，一個(gè)裝有實(shí)驗(yàn)裝置的太空艙在146米高的塔上上下彈射，期間會(huì)產(chǎn)生9.3秒的失重。荷蘭代爾夫特空間研究院也為GrapheneX團(tuán)隊(duì)提供了支持。

這個(gè)名為GrapheneX的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用來(lái)測(cè)試石墨烯在太陽(yáng)能帆板中的使用情況，試驗(yàn)中用到的能夠自由活動(dòng)的石墨烯膜由旗艦項(xiàng)目的合作伙伴Graphenea提供。這一想法主要是為了測(cè)試石墨烯膜在激光輻射壓力下的性能。從2017年11月13日至17日，實(shí)驗(yàn)總共進(jìn)行了五次。

GrapheneX團(tuán)隊(duì)的成員Rocco Gaudenzi說(shuō)：“我們的試驗(yàn)就像是一個(gè)復(fù)雜的‘鐘表裝置’，每一步都必須按順序、在正確的時(shí)間進(jìn)行（實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接）。一般地，需要完全重新建立這樣一個(gè)‘鐘表裝置’的情況很少發(fā)生，而且試驗(yàn)不是在普通條件下進(jìn)行——而是在發(fā)射期間?！?br>
該團(tuán)隊(duì)努力的工作以保證試驗(yàn)取得成功。GrapheneX團(tuán)隊(duì)成員Davide Stefani表示：“盡管最初我們遇到了技術(shù)方面的困難，但我們?cè)谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)弄清楚了出現(xiàn)的問(wèn)題并將其解決，使整個(gè)試驗(yàn)回到了正軌。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常滿(mǎn)意，因?yàn)槲覀冇^察到了由激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的石墨烯帆板的運(yùn)動(dòng)。最重要的是我們獲得了非常棒的經(jīng)驗(yàn)！”

GrapheneX團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Santiago J. Cartamil-Bueno表示，經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果對(duì)團(tuán)隊(duì)而言都具有很大的價(jià)值。他說(shuō)：“最重要的一點(diǎn)是，這讓人們懂得了：事情總會(huì)發(fā)生，你需要做好適應(yīng)或改變它的準(zhǔn)備。我認(rèn)為在一天結(jié)束的時(shí)候，一切都成為了經(jīng)驗(yàn)；你只需要不斷創(chuàng)造新的挑戰(zhàn)，并從中吸取教訓(xùn)，同時(shí)準(zhǔn)備好獲得更多的經(jīng)驗(yàn)，然后進(jìn)入下一個(gè)階段?！?br>
盡管GrapheneX團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)已經(jīng)完成，但是該團(tuán)隊(duì)正在考慮進(jìn)一步的測(cè)試項(xiàng)目，以繼續(xù)探索輻射壓力對(duì)石墨烯帆板的影響。這將作為他們的一個(gè)新的、具有野心的研究項(xiàng)目的一部分。

這兩個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果證明了石墨烯的多功能性，是拓展石墨烯研究領(lǐng)域的第一步。

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