Bild https://www.engineering.upenn.edu Forskarna upptäckte att de partiklar som tillverkare använder för att separera lager av Mylar (ett slag av plastfilm) också spelar en roll i värmeöverföringen. (Kredit: Bargatin Lab)
Att etablera en långsiktig närvaro på månen kräver att man löser problem som är lätta att förbise när man befinner sig på jorden. Månens temperaturer kan till exempel variera från hundratals grader under noll till kokande vilket gör effektiv isolering nödvändigt för de material som används på månen.
Men många material som är bra på att bromsa värmeöverföringen är inte designade för att tåla de temperaturförändringar som sker på månen.
Ingenjörer vid University of Pennsylvania har funnit ett ett förvånansvärt enkelt alternativ som kan lösa detta genom att stapla hundratals ark Mylar, samma lätta plast som används som hushållsmatfolie. Då folien täcks med aluminium används den som nödfiltar och delas ut efter maratonlopp för att spara löparnas kroppsvärme.
I en ny artikel i ACS Applied Materials & Interfaces beskriver teamet ett nytt sätt att montera filmen, som de kallar hybridlager-isoleringsfilmstackar (HyLIFS), och som förenar två egenskaper som sällan förekommer: stark termisk isolering och mekanisk hållbarhet.
"Dessa plasfolier av Mylar kan böjas och tål betydande kompression och behåller sin isolerande prestanda," beskriver seniorförfattaren Igor Bargatin, docent i maskinteknik och tillämpad mekanik (MEAM), "vilket potentiellt gör att de kan packas, transporteras och klara hård behandling under många års användning."
Om teknologin kan gå vidare från laboratoriet till massproduktion kan materialet visa sig vara avgörande för allt från skydd på rymddräkter på månen och annan teknik som måste fungera under långa perioder i rymdens vakuum.
"Kombinationen av termisk och mekanisk robusthet är avgörande för långsiktig användning på månen, "noterar huvudförfattaren till en studie om detta Danielle R. Levin, nybliven doktorsstudent i kemi från Penn, som tog en masterexamen i MEAM. "Detta material kan öppna en väg till billig, hållbar och återanvändbar månisolering."
Forskarna testade Mylar-film av flera tjocklekar och belade vissa med ett extremt tunt lager aluminiumoxid för att öka styvheten. De staplade sedan filmerna, ett ark i taget. "Just nu är processen mycket tidskrävande," beskriver Levin. "Vi använder två par pincetter och små vikter för att hantera och stapla de känsliga filmerna. Till och med att andas nära stapeln kan få lagren att flyga iväg."
När den enkla konstruktionen testades i vakuum gav den enkla konstruktionen ett material med en ovanlig kombination av egenskaper. Komprimerade som det sannolikt skulle vara i en månmiljö som innehåller luft med atmosfärstryck i rymddräkten nådde de bäst värmeledningsförmåga jämförbar med andra högpresterande vakuumisoleringsteknologier samtidigt som de förblev flexibla.
Forskarna komprimerade upprepat prover till cirka 20 megapascal, ungefär motsvarande att koncentrera 90 kilo på en fingertopp. "Vi var oroliga för att materialet skulle ge vika under så hög tryckbelastning," minns Levin. "Men staplarna klarade inte bara en högstresscykel de klarade även tio i rad." Den hållbarheten kan ha en viktig praktisk fördel utöver att klara en oavsiktlig kollision i rymden.
Allt som behövs för byggnation på månen måste först transporteras dit vilket gör flexibilitet och återanvändbarhet till viktiga faktorer för månens infrastruktur. Extremt tunna plastfilmer tenderar att fästa sig vid sig själva och andra ytor vilket gör dem svåra att tillverka och hantera. För att förhindra detta använder tillverkarna mikroskopiska "antiblockerande" partiklar i materialet. Partiklarna sticker ut något från ytan och hjälper till att förhindra att intilliggande lager fastnar ihop.
Det var teamets tunnaste framgångsrikt karaktäriserade filmer och filmer med medeltjocklek som fungerade bäst när de behandlades med alumina (aluminiumoxid). Att skala upp processen till de meterstora skivor som behövs för praktisk isolering kräver i slutändan en annan metod, men forskarna pekar på tillverkningstekniker som kan fungera, som att kontinuerligt belägga stora rullar Mylar.
Så småningom kan det vara möjligt att justera filmtjockleken, beläggningen och fördelningen av antiblockerande partiklar innan materialet lindas till stora stackar.
Frågor kvarstår om hur filmerna skulle bete sig i dessa större skalor, inklusive om de kan klara flera böjningscykler samt gupp och repor vid verkliga tillämpningar. Men om filmernas småskaliga egenskaper håller kan materialet visa sig ovärderligt som flexibel isolering i mansdräkter, rovrar, elektroniska system mm.
För Levin visar arbetet hur mycket man fortfarande kan lära sig av material som ingenjörer tror sig känna väl. "Den enklaste konfigurationen visade sig vara den bästa," påtalar Levin.
