Menggunakan kain untuk 'mendengarkan' debu luar angkasa
Engineering

Menggunakan kain untuk ‘mendengarkan’ debu luar angkasa


Sebuah tim peneliti MIT telah mengirim panel sampel kain pintar pasif ke Stasiun Luar Angkasa Internasional selama setahun untuk membantu menentukan seberapa baik kain ini bertahan di orbit rendah Bumi. Penghargaan: JAXA / Space dan diedit oleh MIT News

Awal bulan ini, tim peneliti MIT mengirim sampel berbagai kain berteknologi tinggi, beberapa dengan sensor atau elektronik tertanam, ke Stasiun Luar Angkasa Internasional. Sampel (tidak berdaya untuk saat ini) akan diekspos ke lingkungan luar angkasa selama satu tahun untuk menentukan dasar seberapa baik bahan-bahan ini bertahan di lingkungan yang keras di orbit Bumi yang rendah.

Harapannya adalah bahwa pekerjaan ini dapat menghasilkan selimut termal untuk pesawat ruang angkasa, yang dapat bertindak sebagai pendeteksi sensitif untuk mempengaruhi mikrometeoroid dan puing-puing ruang angkasa. Pada akhirnya, tujuan lainnya adalah kain pintar baru yang memungkinkan astronot merasakan sentuhan langsung melalui pakaian bertekanan mereka.

Tiga anggota tim multidisiplin MIT, mahasiswa pascasarjana Juliana Cherston dari Media Lab, Yuchen Sun dari Departemen Kimia, dan Wei Yan dari Laboratorium Riset Elektronika dan Departemen Ilmu dan Teknik Material, membahas tujuan ambisius eksperimen tersebut dengan MIT News .

T: Dapatkah Anda mendeskripsikan sampel kain yang Anda kirimkan ke Stasiun Luar Angkasa Internasional, dan jenis informasi apa yang Anda harapkan dari mereka setelah terpapar di luar angkasa?

Cherston: Warna putih Stasiun Luar Angkasa Internasional sebenarnya adalah bahan kain pelindung yang disebut kain Beta, yang merupakan fiberglass terimpregnasi Teflon yang dirancang untuk melindungi pesawat ruang angkasa dan pakaian antariksa dari elemen keras orbit rendah Bumi. Selama beberapa dekade, kain ini tetap pasif secara elektrik, meskipun menawarkan real estat luas di bagian luar aset luar angkasa.

Kami membayangkan mengubah kulit pesawat ruang angkasa ini menjadi puing-puing luar angkasa yang sangat besar dan sensor dampak mikrometeoroid. Sampel yang kami kerjakan dengan JAXA, badan antariksa Jepang, dan Space BD untuk dikirim ke Stasiun Luar Angkasa Internasional menggabungkan bahan-bahan seperti bulu sintetis yang peka terhadap muatan — konsep awal — dan sensor serat peka getaran — fokus proyek kami — ke luar angkasa- kain tahan banting. Kain yang dihasilkan mungkin berguna untuk mendeteksi debu kosmik untuk kepentingan ilmiah, dan untuk mendeteksi kerusakan pada pesawat ruang angkasa.

Sangat mudah untuk mengasumsikan bahwa karena kita sudah mengirimkan bahan-bahan ini ke luar angkasa, teknologinya pasti sangat matang. Pada kenyataannya, kami memanfaatkan lingkungan luar angkasa untuk melengkapi upaya pengujian darat kami yang penting. Semua sensor kain ini akan tetap tidak diberi daya untuk pengujian di ruang angkasa pertama ini, dan selimut sampel menempati luas total 10 kali 10 sentimeter di dinding luar stasiun.

Fokus kami adalah mendasari ketahanan mereka terhadap lingkungan luar angkasa. Dalam satu tahun, sampel ini akan kembali ke Bumi untuk dianalisis setelah penerbangan. Kami akan dapat mengukur erosi apa pun dari oksigen atom, perubahan warna akibat radiasi UV, dan perubahan apa pun pada kinerja sensor serat setelah satu tahun siklus termal. Ada kemungkinan bahwa kita juga akan menemukan petunjuk dari mikrometeoroid skala mikron. Kami juga sudah mempersiapkan penyebaran bertenaga listrik yang saat ini dijadwalkan untuk akhir 2021 atau awal 2022 (baru-baru ini diberikan untuk proyek oleh Lab Nasional ISS). Pada titik itu kami akan menerapkan lapisan pelindung tambahan ke serat dan benar-benar mengoperasikannya di luar angkasa.

Yan: Sampel kain mengandung serat “akustik” yang ditarik secara termal yang dikembangkan dengan dana ISN yang mampu mengubah energi getaran mekanis menjadi energi listrik (melalui efek piezoelektrik). Ketika mikrometeoroid atau puing-puing ruang menghantam kain, kain bergetar, dan serat “akustik” menghasilkan sinyal listrik. Serat multimaterial yang ditarik secara termal telah dikembangkan oleh kelompok penelitian kami di MIT selama lebih dari 20 tahun; Yang membuat serat akustik ini istimewa adalah kepekaannya yang luar biasa terhadap getaran mekanis. Kain telah ditampilkan di fasilitas tanah untuk mendeteksi dan mengukur dampak terlepas dari di mana debu ruang mempengaruhi permukaan kain.

T: Apa tujuan akhir dari proyek ini? Jenis kegunaan apa yang Anda perkirakan untuk kain canggih di lingkungan luar angkasa?

Cherston: Saya sangat ingin menunjukkan bahwa instrumentasi yang berguna untuk penyelidikan ilmiah mendasar dapat dimasukkan langsung ke dalam kulit kain pesawat ruang angkasa yang gigih, yang hingga saat ini merupakan real estat yang tidak terpakai dan sangat berharga. Secara khusus, saya mulai mengevaluasi apakah kulit ini cukup sensitif untuk mendeteksi debu kosmik yang dihasilkan dalam ledakan supernova berusia jutaan tahun yang berjarak puluhan atau ratusan tahun cahaya dari Bumi. Baru tahun lalu, tanda isotop untuk jenis debu antarbintang ini ditemukan di salju Antartika yang segar, jadi kami yakin bahwa sebagian debu ini masih menyebar di sekitar tata surya, menyimpan petunjuk tentang dinamika ledakan supernova. Karakterisasi in-situ dari distribusi dan kinematika mereka saat ini adalah tujuan ilmiah saya yang paling ambisius.

Secara lebih umum, saya ingin melihat serat dan kain canggih menangani pertanyaan lain yang menjadi minat fisik mendasar di ruang angkasa, mungkin dengan memanfaatkan serat optik atau bahan sensitif radiasi untuk membuat sensor aperture besar.

Beberapa siswa dalam kelompok saya juga telah mengembangkan prototipe konseptual di mana data sensorik pada kulit luar dari ban lengan baju antariksa bertekanan dipetakan ke aktuator haptik pada kulit biologis pemakainya. Dengan menggunakan sistem ini, astronot akan dapat merasakan tekstur dan sentuhan langsung melalui pakaian luar angkasa mereka! Pengalaman langsung dari lingkungan baru ini sangat penting bagi dorongan manusia untuk menjelajah.

Kulit yang sensitif terhadap benturan juga dapat digunakan untuk mendeteksi kerusakan pada pesawat luar angkasa yang persisten. Dalam praktiknya, kemampuan kain untuk melokalisasi kerusakan dari puing-puing ruang angkasa dan mikrometeoroid adalah cara kami benar-benar menjual konsep tersebut kepada insinyur dirgantara.

Yan: Meskipun zaman antariksa dimulai 63 tahun yang lalu ketika Sputnik 1 Uni Soviet diluncurkan ke orbit elips Bumi rendah, banyak pertanyaan yang belum terjawab mengenai efek lingkungan luar angkasa pada manusia, serta keselamatan astronot saat mereka beroperasi di lingkungan luar angkasa. Sementara fokus utama proyek kami adalah menambah kain yang digunakan pada bagian luar pesawat ruang angkasa, saya juga membayangkan bahwa pakaian antariksa masa depan akan aktif secara elektrik dan sangat multifungsi.

Tekstil yang terkubur di dalam jas akan dapat memantau kondisi kesehatan astronot secara real time dengan menginterogasi sinyal fisiologis di area yang luas. Kain juga dapat berfungsi sebagai sistem pemanas dan pendingin lokal, dosimeter radiasi, dan infrastruktur komunikasi yang efisien (melalui optik dan akustik kain). Mereka dapat memanen energi matahari serta sejumlah kecil energi dari getaran, dan menyimpan energi ini dalam baterai serat atau superkapasitor, yang memungkinkan sistem menjadi bertenaga sendiri. Kain bahkan mungkin berfungsi sebagai bagian dari kerangka luar yang membantu astronot dalam bermanuver di benda-benda planet dan gayaberat mikro. Salah satu visi luas yang berperan adalah mengemas sejumlah besar fungsi ke dalam tekstil tahan ruang angkasa, menciptakan analogi “hukum Moore” untuk kain ruang angkasa.

T: Apa yang membuat Anda tertarik dengan subjek ini, dan bagaimana pengalaman Anda saat menyiapkan materi untuk dikirim ke luar angkasa?

Yan: Luar angkasa jelas merupakan batas baru untuk penelitian kami, sementara banyak aplikasi terestrial telah dibayangkan dalam kondisi ambien dan bahkan di bawah air. Dari orbit Bumi yang rendah hingga benda-benda planet, ruang angkasa adalah lingkungan unik dengan oksigen atom, radiasi, penabrak kecepatan tinggi, dan siklus suhu ekstrem. Bagaimana serat dan kain bekerja di sana dan perubahan apa yang akan terjadi pada bahan serat? Bagaimana seharusnya kain elektronik dirancang untuk memenuhi permintaan aplikasi ruang angkasa? Ada banyak sekali pertanyaan ilmiah dan teknologi.

Sun: Grup kami [with professor of chemistry Keith Nelson] berusaha untuk mendorong batas dari apa yang dapat dicapai secara eksperimental untuk pengujian dampak, dan kami selalu bersemangat dengan tantangan baru. Baru-baru ini, kami telah menjelajahi bidang mekanika berkecepatan tinggi, menguji material baru yang mencakup polimer, film tipis, dan material yang diproteksi nano menggunakan fasilitas akselerator laser yang dirancang oleh lab kami untuk menimpa partikel kecil pada permukaan target dengan kecepatan melebihi 1 kilometer per detik .

Ketika ide muncul untuk menguji material yang mampu mendeteksi tanda tabrakan di orbit rendah Bumi dan sekitarnya, ada minat langsung di pihak kami karena secara fundamental berbeda dari fokus penelitian kami sebelumnya. Eksperimen ini tentu saja lebih sulit dan kompleks daripada yang biasa kita lakukan, dengan lebih banyak bagian aktif yang harus dipertahankan. Saya pikir kami semua cukup terkejut ketika eksperimen dampak awal kami berhasil dan menggembirakan.

Cherston: Meskipun peluncuran luar angkasa itu mengasyikkan, pada kenyataannya beberapa data kami yang paling meyakinkan hingga saat ini berasal dari pengujian dampak di lapangan. Awalnya, sama sekali tidak jelas bahwa sensor kain dengan elemen penginderaan terintegrasi yang jarang benar-benar dapat mendeteksi partikel sekecil dan cepat tersebut. Ada beberapa menit yang sangat hebat pada kampanye pengujian dampak serius pertama kami di mana Yuchen secara bertahap meningkatkan jumlah partikel yang dipercepat ke sensor kami, sambil menahan semua aspek lain dari eksperimen secara konstan. Sinyal yang berkembang adalah indikasi senjata api bahwa kami melihat tanda dampak yang sebenarnya.

Secara pribadi, saya benar-benar terpesona dengan gagasan memanfaatkan teknologi yang sangat tidak konvensional seperti kain untuk pertanyaan-pertanyaan yang memiliki signifikansi ilmiah. Dan menurut saya ide untuk merasa benar melalui pakaian antariksa bertekanan itu menyenangkan!


Gambar: Rumah yang jauh dari planet rumah


Informasi lebih lanjut:
Kulit elektronik area besar di luar angkasa: penglihatan dan karakterisasi sebelum penerbangan untuk tekstil elektronik piezoelektrik dirgantara pertama: resenv.media.mit.edu/pubs/pape… ceSkin_Submitted.pdf

Disediakan oleh Massachusetts Institute of Technology

Kisah ini diterbitkan ulang atas izin MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), situs populer yang meliput berita tentang penelitian, inovasi, dan pengajaran MIT.

Kutipan: Menggunakan kain untuk ‘mendengarkan’ debu luar angkasa (2020, 26 November) diakses 27 November 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-11-fabric-space.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Togel HKG