NASA's nieuwe superzwarte op nanobuizen gebaseerde materiaal is goed nieuws voor sterrenkijkers

Anonim

NASA's nieuwe superzwarte op nanobuizen gebaseerde materiaal is goed nieuws voor sterrenkijkers

Wetenschap

Darren Quick

9 november 2011

2 afbeeldingen

De nieuwe superzwarte coating gemaakt van holle koolstofnanobuizen voorkomt reflectie omdat de kleine openingen tussen de buizen licht verzamelen en vangen (Afbeelding: Stephanie Getty, NASA Goddard)

Als het erom gaat metingen te verzamelen van objecten die zo ver in het universum liggen dat ze niet langer zichtbaar zijn in zichtbaar licht, kan de kleinste hoeveelheid strooilicht een ravage aanrichten met de gevoelige detectoren en andere instrumentcomponenten die door astronomen worden gebruikt. Momenteel gebruiken instrumentontwikkelaars zwarte verf op baffles en andere componenten om te voorkomen dat strooilicht van oppervlakken afketst, maar de verf absorbeert slechts 90 procent van het licht dat erop valt. NASA-technici hebben nu een coating op basis van nanotechnologie ontwikkeld die gemiddeld meer dan 99 procent van het ultraviolette, zichtbare, infrarode en ver-infrarode licht absorbeert dat erop terechtkomt, waardoor het veelbelovend is voor een verscheidenheid aan ruimte- en aarde-gebonden toepassingen.

Het nieuwe superzwarte materiaal dat is ontwikkeld in het Goddard Space Flight Center van NASA is een coating die bestaat uit een dunne laag meerwandige koolstofnanobuizen die verticaal op verschillende substraatmaterialen worden geplaatst, net als een shag-tapijt. Met behulp van een katalysatorlaag van ijzer heeft het team de nanobuizen gegroeid op onderlagen van materialen die gewoonlijk worden gebruikt in wetenschappelijke experimenten op basis van ruimte, waaronder silicium, siliciumnitride, titanium en roestvrij staal.

Het team ontdekte dat het materiaal 99, 5 procent van het ultraviolette en zichtbare licht absorbeert en daalt tot 98 procent in de langere of ver-infrarode frequentiebanden, waardoor het ideaal is voor toepassingen met strooilichtonderdrukking. Dit komt omdat de kleine openingen tussen de nanobuisjes achtergrondlicht opvangen en vasthouden om te voorkomen dat het van oppervlakken weerkaatst en het licht verstoort dat wetenschappers eigenlijk willen meten.

"De reflectietesten hebben aangetoond dat ons team 50 maal meer heeft uitgebreid met de opnamemogelijkheden van het materiaal. Hoewel andere onderzoekers bijna perfecte absorptieniveaus rapporteren, voornamelijk in het ultraviolet en zichtbaar, is ons materiaal bijna perfect in meerdere opzichten golflengtebanden, van het ultraviolette tot het verre infrarood, "zei John Hagopian, die het 10 sterke Goddard-team leidt. "Niemand anders heeft deze mijlpaal al bereikt. "

Naast het bieden van voordelen aan astronomen die verre objecten observeren of die in gebieden met een hoog contrast - bijvoorbeeld planeten in een andere baan rond andere sterren - zegt NASA dat wetenschappers die de oceanen en de atmosfeer van de aarde bestuderen, ook hiervan zullen profiteren. Dit komt omdat meer dan 90 procent van de lichte aarde-meetinstrumenten uit de atmosfeer komen, die het zwakke signaal dat ze proberen op te halen overweldigt.

Een ander nadeel van de zwarte verf die momenteel wordt gebruikt, is dat ze niet zwart blijven bij blootstelling aan cryogene temperaturen. In plaats daarvan nemen ze een glanzende, enigszins zilveren kwaliteit aan, zegt Goddard-wetenschapper Ed Wollack, die het koolstof-nanobuismateriaal evalueert voor gebruik als kalibrator op instrumenten die veel infraroodgevoelig zijn en die onder superkoude omstandigheden moeten werken om zwakke verte te verzamelen. infraroodsignalen afkomstig van objecten in het zeer verre universum. Als deze instrumenten niet koud zijn, zullen thermische warmte die wordt gegenereerd door het instrument en het observatorium de zwakke infrarood die ze moeten verzamelen, overspoelen.

Naast het absorberen van licht, worden zwarte materialen ook gebruikt om warmte weg te stralen van instrumenten van ruimtevaartuigen, zoals instrumenten voor infraroodsensatie. Aangezien het zwarter het materiaal is, des te meer warmte het straalt, kan het nieuwe superzwarte materiaal worden gebruikt om warmte van instrumenten te verwijderen en weg te stralen naar de diepe ruimte. Hierdoor kunnen de instrumenten worden gekoeld tot lagere temperaturen, zodat ze gevoeliger zijn voor vage signalen.

En in tegenstelling tot zwarte verven waarvoor epoxyharsen zijn vereist die zijn beladen met geleidende metalen om te voorkomen dat ze hun absorptie- en stralingseigenschappen verliezen, is de coating op basis van nanobuizen minder dicht en blijft ze zwart zonder additieven.

"Dit is een veelbelovend materiaal, " zei Wollack. "Hij is robuust, lichtgewicht en extreem zwart. Hij is lang beter dan zwarte verf. "

Het NASA Goddard Space Flight Center-team heeft onlangs hun bevindingen bekendgemaakt tijdens de conferentie SPIE Optics and Photonics.

Een gedeelte van de superzwarte coating, die op glad silicium is gekweekt, met opzet verwijderd om de verticale uitlijning van de buizen te tonen (Afbeelding: Stephanie Getty, NASA Goddard)

De nieuwe superzwarte coating gemaakt van holle koolstofnanobuizen voorkomt reflectie omdat de kleine openingen tussen de buizen licht verzamelen en vangen (Afbeelding: Stephanie Getty, NASA Goddard)