In den nächsten sechs Monaten wird ein Kamerasystem an der Außenseite der Internationalen Raumstation (ISS) Fotos von mehr als einem Dutzend verschiedener Materialproben machen und detaillierte Informationen sammeln, die den Forschern helfen werden, festzustellen, wie – und warum – die harten Bedingungen von Raum beeinflussen diese Materialien. Zu den zu untersuchenden Problemen gehören Farbänderungen, die auf die Verschlechterung hinweisen können, die durch die Exposition gegenüber der Umgebung im Weltraum verursacht wird.
Ein Hauptziel der Forschung wird es sein, die Farbänderungen, die unter einer Low-Earth-Orbital (LEO)-Exposition auftreten, mit Variationen der Materialeigenschaften – wie strukturelle Festigkeit, chemische Zusammensetzung und elektrische Leitfähigkeit – zu korrelieren, um zu bestimmen, wie sich diese spektralen Änderungen ergeben könnten es Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichen, die Verschlechterung visuell zu beurteilen. Die LEO-Weltraumumgebung setzt Materialien den schädlichen Auswirkungen von atomarem Sauerstoff, ultravioletter Strahlung und hochenergetischen Elektronen aus.
„Wir wollen nicht nur wissen, wie sich der Weltraum auf Materialien auswirkt, sondern auch, warum das passiert“, sagte Elena Plis, leitende Forschungsingenieurin am Georgia Tech Research Institute (GTRI), die das organisationsübergreifende Forschungsteam leitet. „Zum Beispiel wissen wir, dass ein häufig verwendetes Material von DuPont, Kapton-Polyimidfolie, Änderungen in seiner Leitfähigkeit im Weltraum unterliegt, aber wir wollen wissen, warum, wie wir das verhindern oder wie wir es zu unserem Vorteil nutzen können .“
Das regelmäßige Fotografieren der Materialien sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Spektralbereich wird eine dynamische Aufzeichnung dessen liefern, was mit den optischen Eigenschaften im Weltraum passiert, und das Wissen verbessern, das oft auf Messungen vor und nach der Weltraumexposition beschränkt war. Das Forschungsteam wird die zur Erde zurückgebrachten Materialien umfassend analysieren, um besser zu verstehen, wie sich die Verschlechterung im Weltraum auf andere Materialeigenschaften auswirken kann, und diese Informationen für die langfristige Planung von Weltraummissionen verwenden.
„Mich interessiert die Dynamik von Materialschäden im Weltraum“, erklärt Plis. „Bisher hatten wir im Allgemeinen nur zwei Datenpunkte, um die Auswirkungen des Weltraums zu bewerten: die unberührten Materialien, die wir starten, und die kumulativen Auswirkungen, die wir sehen können, wenn Materialien zurückgegeben werden. Die Einzigartigkeit dieses Experiments besteht darin, dass wir es beobachten können Schäden treten mit der Zeit auf.“
Über GTRI hinaus umfasst das Forschungsteam Forscher des Air Force Research Laboratory (AFRL), der NASA, der University of Texas at El Paso und DuPont, einem multiindustriellen Unternehmen mit Hauptsitz in Wilmington, Delaware. Utilizing the Materials International Space Station Experiment ( MISSE) Flight Facility wird die Forschung auch von Aegis Aerospace Inc. unterstützt, dem Unternehmen, das die auf der ISS installierte MISSE-Plattform besitzt und betreibt.
Die Analyse der durch das Experiment erhaltenen Spektraldaten könnte es Beobachtern auch ermöglichen, festzustellen, ob ein Stück Weltraumschrott von einer leichten Isolierdecke oder einer schwereren Leiterplatte stammt, die umlaufende Raumfahrzeuge beschädigen könnte. Das Experiment bietet nicht nur eine neue Möglichkeit, den strukturellen Zustand von Materialien aus der Ferne zu beurteilen und die Risiken von Weltraumschrott zu bewerten, sondern wird Ingenieuren auch dabei helfen, neuartige Materialien zu bewerten, die den Konstrukteuren zukünftiger Raumfahrzeuge neue Optionen bieten könnten.
„DuPont Kapton HN Polyimidfolie zum Beispiel ist ein Material, das seit den Apollo-Missionen verwendet wird, was es zum Goldstandard macht“, sagte Plis. „Aber es gibt noch viel mehr Materialien, die möglicherweise verbesserte Eigenschaften bieten, also werden wir sehen, wie einige Beispiele davon vom Weltraum beeinflusst werden.“
Viele der untersuchten Materialien werden verwendet, um Systeme und Besatzungen von Raumfahrzeugen vor den Auswirkungen schneller thermischer Veränderungen im Orbit und vor schädlichen elektrischen Aufladungseffekten zu schützen. Die MISSE-16-Materialauswahl umfasst verschiedene Arten von Polyimiden, Flüssigkristallpolymeren (LCP), polyedrisches oligomeres Silsesquioxan (POSS), kohlenstoff- und glasfaserverstärkte Polymere und Polyethylenterephthalat (PET)-Polyesterfolien.
Die Proben wurden mit einem Roboterarm an der Außenseite der ISS installiert und werden in etwa sechs Monaten auf die gleiche Weise geborgen. Die Proben werden auf drei verschiedenen Seiten der ISS platziert, um bevorzugt atomarem Sauerstoff, ultravioletter Strahlung und hochenergetischen Elektronen ausgesetzt zu werden. Die Proben wurden von einem Dragon-Frachtraumschiff von SpaceX, das am 16. Juli startete, zur ISS geliefert.
Um die Langzeitbeobachtung im Orbit zu erleichtern, wurde das MISSE-Testbed mit einem Kamera- und Beleuchtungssystem aufgerüstet, um einen breiteren Spektralbereich einschließlich Infrarot abzudecken, der für die Beobachtung bestimmter Aspekte der Degradation wichtig ist. Die aktualisierte Hardware wird Teil der MISSE-Instrumentierung bleiben, nachdem das GTRI-geführte Experiment beendet ist.
Die Proben, bei denen es sich um Quadrate von einem Zoll handelt, werden voraussichtlich im nächsten Frühjahr zur Erde zurückgebracht. Die im Weltraum geflogenen Materialien werden detailliert untersucht, um die Degradation zu verstehen, und mit identischen Proben verglichen, die im Labor simulierten Weltraumbedingungen ausgesetzt wurden. Insgesamt werden die Proben 10 verschiedenen Charakterisierungstechniken unterzogen, darunter Rasterkraftmikroskopie, optische Charakterisierung von Reflexion und Absorption sowie Messungen des elektrischen Ladungstransfers.
„Wir werden versuchen, die optischen Eigenschaften mit Oberflächenveränderungen und chemischen Veränderungen in Verbindung zu bringen“, sagte Plis. „Mit unseren Bodenexperimenten hoffen wir, diese Veränderungen und die dahinter stehende Physik zu verstehen.“
Für Plis, der seit 2015 die Auswirkungen der Weltraumexposition auf Materialien untersucht, war der Start der Forschung in den Weltraum das Ergebnis eines jahrelangen Bewerbungs- und Entwicklungsprozesses.
„Für mich war die Einführung der Materialien sehr emotional“, sagte sie. „Es ist wie ein wahr gewordener Traum, meine Forschungsergebnisse in den Weltraum zu schicken und Daten aus dem Weltraum zu erhalten. Dies ist mein erstes Projekt, das in den Weltraum geht, und ich hoffe, dass es noch mehr geben wird.“