Neutronen öffnen Fenster zur Erforschung von Weltraumglas

Dank des menschlichen Einfallsreichtums und der Schwerelosigkeit profitieren wir von der Wissenschaft im Weltraum. Denken Sie über Smartphones mit integrierten Navigationssystemen und Kameras nach.

Solche Transformationstechnologien scheinen sich über Nacht in den Rhythmus unseres Alltags zu integrieren. Aber sie sind das Ergebnis jahrelanger Entdeckungen und Entwicklungen von Materialien, die rauen Umgebungen außerhalb unserer Atmosphäre standhalten können. Sie sind das Ergebnis jahrzehntelanger Grundlagenforschung in der Grundlagenforschung, um zu verstehen, wie sich Atome in verschiedenen Materialien unter verschiedenen Bedingungen verhalten.

Aufbauend auf dieser Vergangenheit hat ein globales Forscherteam einen neuen Maßstab für zukünftige Experimente zur Herstellung von Materialien im Weltraum statt für den Weltraum gesetzt. Zu dem Team gehörten Mitglieder der nationalen Laboratorien Oak Ridge und Argonne des Energieministeriums, Materials Development, Inc., der NASA, der Japan Aerospace Exploration Agency oder JAXA, der ISIS Neutron and Muon Source, der Alfred University und der University of New Mexico. Gemeinsam entdeckten sie, dass viele Arten von Glas, darunter solche, die für optische Geräte der nächsten Generation entwickelt werden könnten, eine ähnliche atomare Struktur und Anordnung haben und erfolgreich im Weltraum hergestellt werden können.

Das Papier des Teams ist veröffentlicht im Tagebuch npj Mikrogravitation.

„Die Idee besteht darin, die Mechanismen hinter der weltraumgestützten Fertigung zu ergründen, die zu Materialien führen können, die auf der Erde nicht unbedingt verfügbar sind“, sagte Jörg Neuefeind, der 2004 zum ORNL kam, um an der Spallations-Neutronenquelle des Labors ein Instrument namens NOMAD zu bauen (SNS). NOMAD, das schnellste Neutronendiffraktometer der Welt, hilft Wissenschaftlern, die Anordnung von Atomen zu messen, indem es beobachtet, wie Neutronen von ihnen abprallen. NOMAD ist eines von 20 Instrumenten bei SNS, die Wissenschaftlern helfen, große Fragen zu beantworten und unzählige Innovationen voranzutreiben, wie Medikamente, die Krankheiten wirksamer behandeln, zuverlässigere Flugzeug- und Raketentriebwerke, Autos mit besserem Benzinverbrauch und Batterien, die sicherer sind, schneller aufladen und länger halten .

JAXA-Mitarbeiter auf der Erde haben an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) Glas hergestellt und geschmolzen, und zwar per Fernsteuerung mithilfe eines Levitators. Levitatoren werden verwendet, um Materialproben während Experimenten aufzuhängen, um Störungen durch Kontakt mit anderen Materialien zu vermeiden.

Als die nächste ISS-Mission Monate später endete und das Weltraumglas zur Erde gebracht wurde, verwendeten die Forscher eine Kombination von Techniken, darunter Neutronen, Röntgenstrahlen und leistungsstarke Mikroskope, um am Himmel hergestelltes und geschmolzenes Glas mit dem auf der Erde zu vergleichen und zu vergleichen.

„Wir haben herausgefunden, dass wir mit behälterlosen Techniken wie dem Levitator unkonventionelle Gläser in der Mikrogravitation herstellen können“, sagte Takehiko Ishikawa von JAXA, Pionier des elektrostatischen Levitators, der zur Herstellung der Glasperlen an Bord der ISS verwendet wird.

Die Forscher verließen sich auf NOMAD am SNS, um die Glasproben mit Neutronen und Strahllinien an der Advanced Photon Source von Argonne zu untersuchen, um die Proben mit Röntgenstrahlen zu untersuchen. Sowohl SNS als auch APS sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science.

„Es gibt nur eine begrenzte Menge Material, das man in den Weltraum fliegen und zurückbekommen kann, und das war tatsächlich einer der Gründe, warum NOMAD für dieses Experiment so gut geeignet war“, sagte Stephen Wilke von Materials Development Inc. und Gastwissenschaftler bei Argonne . „Wir erhielten nur einzelne Glaskügelchen mit einem Durchmesser von etwa einem Achtel Zoll zurück, die im Hinblick auf die atomare Struktur sehr schwer zu messen sind. Da NOMAD sich durch die Messung extrem kleiner Proben auszeichnet, konnten wir einzelne Perlen, die wir im Jahr hergestellt hatten, problemlos vergleichen.“ Labor mit denen, die auf der Raumstation hergestellt wurden.

Geheimnisse aus Glas

Es stellt sich heraus, dass Glas nicht so eindeutig ist. Im Gegensatz zu kristallinen Festkörpern wie Salz haben Glasatome keine einheitliche Struktur. Seine ungewöhnliche Atomanordnung ist zwar bemerkenswert stabil, lässt sich aber vielleicht am besten als ein zufälliges Netzwerk von Molekülen beschreiben, die koordinierte Atome teilen. Glas ist weder vollständig fest noch vollständig flüssig und kommt auch in verschiedenen Formen vor, darunter Polymer, Oxid und Metall, beispielsweise für Brillengläser, Glasfaserfäden und Hardware für Weltraummissionen.

Im Jahr 2022 experimentierten Neuefeind, Wilke und Rick Weber, ein Branchenexperte für Glas, mit zwei Oxiden von Neodym und Titan und entdeckt ein Potenzial für optische Anwendungen. Die Kombination dieser beiden Elemente weist ungewöhnliche Stärken auf, die in ähnlichen Forschungskampagnen nicht zu finden sind. Diese Erkenntnisse veranlassten sie, ihre aktuellen Studien bei der NASA fortzusetzen.

„[The experiment in 2022] „Wir haben etwas wirklich Bemerkenswertes gelernt“, sagte Weber von Materials Development Inc. „Eines der Gläser hat ein Netzwerk, das sich völlig von dem normalen, für Siliciumdioxid typischen Netzwerk mit vier Koordinaten unterscheidet.“ Diese Brille verfügt über ein Sechs-Koordinaten-Netzwerk. Sie sind wirklich da draußen. Aus glaswissenschaftlicher Sicht ist es spannend. Aber in der Praxis bedeutet es auch mehr Möglichkeiten, mit optischen Materialien und neuartigen Geräten neue Dinge zu tun.“

Wissenschaftler nutzen Neutronen und Röntgenstrahlen häufig parallel, um Daten zu sammeln, die mit anderen Techniken nicht möglich sind. So können wir die Anordnung von Atomen verschiedener Elemente in einer Probe verstehen. Neutronen halfen dem Team, die leichteren Elemente im Weltraumglas wie Sauerstoff zu erkennen, während Röntgenstrahlen ihnen halfen, die schwereren Elemente wie Neodym und Titan zu erkennen. Wenn zwischen Weltraumglas und terrestrischem Glas signifikante Unterschiede bestünden, hätten sie sich wahrscheinlich im Oxiduntergitter oder in der Anordnung der Sauerstoffatome, in der Verteilung der Schweratome oder in beidem gezeigt.

Neutronen werden zu immer wichtigeren Werkzeugen, um die Geheimnisse der Materie zu entschlüsseln, wenn Wissenschaftler ungeachtet des Weltraums neue Grenzen erkunden.

„Wir müssen nicht nur die Auswirkungen des Raums auf die Materie verstehen, sondern auch seine Auswirkungen auf die Art und Weise, wie Dinge entstehen“, sagte Neuefeind. „Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sind Neutronen Teil der Lösung solcher Rätsel.“