في قطاع مواد الدفاع، الادعاءات وفيرة ولكن التحقق نادر. لقد حققت مواد الدكتور BEL ما يَعِد به معظم مؤسسي التكنولوجيا العميقة فقط: 13 شهراً من التشغيل المستمر في المدار الأرضي المنخفض في المنطقة الخارجية لأحزمة فان ألين - البيئة الإشعاعية الأكثر عدائية التي يمكن للهندسة البشرية الوصول إليها.
يمثل التحقق من أجهزة الفضاء إشارة التقليل من المخاطر القصوى. يجب أن تنجو المواد من اهتزاز الإطلاق (حتى 14g)، وإطلاق الغازات في الفراغ، والدورات الحرارية (-150 درجة مئوية إلى +120 درجة مئوية)، وتدفق الأكسجين الذري، والتحلل بالأشعة فوق البنفسجية، والتدفق الإشعاعي الكوني المستمر. لا يوجد محاكاة أرضية تكرر هذه المجموعة من الضغوط البيئية.
تتحقق تجربة ISS/JAXA-Kibo ليس فقط من أداء المواد تحت الإشعاع ولكن أيضاً من اتساق التصنيع واستقرار التركيبة والسلامة الهيكلية في ظل الظروف التشغيلية. المواد التي تعود وظيفية من الفضاء لديها أوراق اعتماد مؤهلة مثبتة يستحيل تكرارها في أي مختبر أرضي.
تكوين التجربة
| المنصة | محطة الفضاء الدولية (ISS) |
|---|---|
| الوحدة | وحدة التجارب اليابانية Kibo |
| المرفق | المنشأة المكشوفة (JEM-EF) |
| الأجهزة | آلية تثبيت الدرابزين للتجارب المكشوفة (ExHAM) |
| رقم التجربة | 8071 |
| مدة التعرض | 13 شهراً (نوفمبر 2018 - ديسمبر 2019) |
| الارتفاع المداري | ~400 كم (المدار الأرضي المنخفض) |
| البيئة الإشعاعية | المنطقة الخارجية لحزام فان ألين، عبور شذوذ جنوب الأطلسي |
نظام المواد
المادة الأساسية: مركب نانوي PMMA/Colemanite (Ca2B6O11·5H2O)
البنية: مصفوفة بوليمرية معززة بجسيمات أكسيد البورون النانوية
الوظيفة: التدريع الإشعاعي من خلال توازن النيوترونات وتوهين أشعة غاما عبر المقطع العرضي العالي للبورون
التعرض البيئي
- الفراغ: <10⁻⁶ تور مستمر
- الدورات الحرارية: -150 درجة مئوية إلى +120 درجة مئوية (فترة مدارية 90 دقيقة)
- تدفق الأكسجين الذري: ~2×10²⁰ ذرة/سم² (ما يعادل أكثر من سنة في المدار الأرضي المنخفض)
- الإشعاع الكوني: بروتونات حزام فان ألين، الأشعة الكونية المجرية، أحداث الجسيمات الشمسية
- الأشعة فوق البنفسجية: الأشعة فوق البنفسجية الشمسية غير المفلترة بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية الفراغية <200 نانومتر
نتائج الأداء المعتمدة
| مقياس الأداء | النتيجة المعتمدة |
|---|---|
| تحسين درع أشعة غاما | تحسن بنسبة 11.1٪ مقارنة بـ PMMA الأساسي |
| تعزيز درع النيوترونات | تعزيز بنسبة 38.56٪ مقارنة بـ PMMA الأساسي |
| أداء توهين بيتا | معتمد في بيئة البروتون/الإلكترون لحزام فان ألين |
| السلامة الهيكلية للمادة | محافظ عليها طوال فترة التعرض لمدة 13 شهراً - لا انفصال أو تشقق أو فقدان كبير للكتلة |
| الاحتفاظ بالخصائص البصرية | الحفاظ على خصائص النقل بعد التعرض |
| مقاومة الأكسجين الذري | تراجع السطح ضمن المعايير المقبولة لمدة مهمة المدار الأرضي المنخفض |
الأهمية التقنية
يعد تعزيز درع النيوترونات بنسبة 38.56٪ ذا أهمية خاصة للتطبيقات الفضائية. يمثل الإشعاع النيوتروني - بشكل أساسي من تفاعلات الأشعة الكونية المجرية مع هياكل المركبات الفضائية - أكثر مشكلات التدريع تحدياً في رحلات الفضاء البشرية. يتيح المقطع العرضي العالي لالتقاط النيوترونات في البورون-10 (3,840 بارن للنيوترونات الحرارية) التوازن الفعال والامتصاص دون عقوبة الكتلة للمخففات البوليثيلينية التقليدية.
يوضح تحسين أشعة غاما بنسبة 11.1٪ أن تشتت الجسيمات النانوية للكوليمانيت يعزز بدلاً من أن يضر خصائص توهين الفوتون للمصفوفة - نقطة تحقق حاسمة لتطبيقات البيئة متعددة الإشعاعات.
تحديات البيئة الفضائية
يمثل التأهيل الفضائي المعيار الذهبي في التحقق من المواد
البيئة الإشعاعية
تدور محطة الفضاء الدولية داخل وأسفل أحزمة فان ألين الإشعاعية، وتتعرض بشكل مستمر لـ:
- البروتونات المحتجزة (ذروة التدفق عند 200-600 كم)
- الإلكترونات المحتجزة (الحزام الداخلي والخارجي)
- الأشعة الكونية المجرية (الأيونات الثقيلة إلى الحديد)
- الجسيمات الشمسية النشطة
- عبور شذوذ جنوب الأطلسي
الظروف الحرارية القصوى
تشهد محطة الفضاء الدولية 16 شروقاً وغروباً للشمس يومياً. تتراوح المواد في المنشأة المكشوفة بين حوالي -150 درجة مئوية (الكسوف) و +120 درجة مئوية (ضوء الشمس المباشر) كل 90 دقيقة.
تختبر هذه الدورات الحرارية - أكثر من 5,000 دورة خلال مهمة مدتها 13 شهراً - إجهاد المواد، عدم التطابق في معامل التمدد الحراري عند الواجهات، والسلامة الهيكلية بطرق يستحيل تكرارها أرضياً.
الأكسجين الذري
يحتوي المدار الأرضي المنخفض على أكسجين ذري متبقي بكثافة كافية (~10⁸ ذرة/سم³ عند 400 كم) لتسبب تآكل سطحي كبير للمواد العضوية.
البوليمرات التي تنجو من التعرض للمدار الأرضي المنخفض دون طلاءات واقية لديها مقاومة متأصلة للتحلل التأكسدي - خاصية قيمة للتطبيقات طويلة المدة.
المنظمات المتعاونة
وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA)
الدور: عمليات وحدة Kibo، توفير أجهزة ExHAM، لوجستيات إعادة العينات، تنسيق التجارب
المساهمة: الوصول إلى منصة التعرض الخارجي لمحطة الفضاء الدولية، دعم تحليل العينات بعد الرحلة
وكالة الفضاء التركية (TUA)
الدور: التنسيق الوطني، الدعم التنظيمي، تسهيل الاتفاقيات الدولية
المساهمة: إطار التعاون الفضائي بين الحكومات الذي يمكّن البحث التركي من الوصول إلى مرافق محطة الفضاء الدولية
جامعة إسطنبول التقنية (ITU)
الدور: المؤسسة الأكاديمية الأم، الوصول إلى المرافق، توصيف المواد
الأقسام: معهد الطاقة، هندسة المواد
المساهمة: الإعداد قبل الرحلة، توصيف الإشعاع بعد الرحلة، إشراف الرسائل
جامعة التكنولوجيا PETRONAS (ماليزيا)
الدور: التعاون البحثي الدولي
المساهمة: قياس المغناطيسية بالعينة الاهتزازية (VSM) لتوصيف المغناطيسية، التحليل الطيفي رامان لتحليل البنية الجزيئية
العرض الدولي a regional space forum
قدم الدكتور طيفون BEL عرضاً بعنوان "التجربة التركية لـ ISS-KIBO" في المنتدى الإقليمي لوكالات الفضاء في آسيا والمحيط الهادئ السادس والعشرين (a regional space forum)، فريق عمل الاستفادة من البيئة الفضائية، قاعة مؤتمرات ناغويا، اليابان، 26 نوفمبر 2019.
وضعت الجلسة الدكتور BEL جنباً إلى جنب مع مندوبين من:
اليابان
الولايات المتحدة
جمهورية كوريا
تايلاند
إندونيسيا
تركيا
من التراث الفضائي إلى منتجات الدفاع
رؤى علوم المواد المعتمدة من خلال محطة الفضاء الدولية تُعلم مباشرة منتجات Belvyon التجارية
مظلة المواد الذكية VELON-G
استقرار المصفوفة البوليمرية تحت الإشعاع والدورات الحرارية معتمد من خلال تراث محطة الفضاء الدولية. نفس البنية القائمة على PMMA - المحسّنة الآن بإضافات المواد الفوقية من الجرافين-ITO - تثبت الثقة في قابلية البقاء التشغيلية طويلة المدة لتطبيقات مظلة المقاتلات.
معرفة المزيدركيزة العصبونية SYNAPLEX
أسس تحمل الإشعاع الموضوعة من خلال التحقق من المركب النانوي للكوليمانيت. ترث بنية الفلوروبوليمر لـ SYNAPLEX مبادئ التصميم من تركيبات البوليمر المؤهلة للفضاء، مستهدفة تحمل جرعة إجمالية >500 كيلو جراي لتطبيقات الذكاء الاصطناعي الفضائية.
معرفة المزيدالدرع الباليستي TOPSPOT
مبادئ هندسة الواجهة البوليمرية-السيراميكية من مركبات التدريع الإشعاعي المطبقة على الحماية الباليستية. تستفيد بنية FGM (المواد المتدرجة وظيفياً) من خبرة تركيبة المصفوفة المطورة من خلال تحسين نظام مواد محطة الفضاء الدولية.
معرفة المزيدالمنشورات المراجعة من قبل الأقران
المنشور الأساسي
Bel, T., Mehranpour, S., Sengul, A.V., Camtakan, Z., Baydogan, N. "Electron beam penetration of poly (methyl methacrylate)/colemanite composite irradiated at low earth orbit space radiation environment." Wiley Journal — نتائج تجربة ISS/JAXA-Kibo ExHAM.
المنشورات ذات الصلة
[1] Bel, T., Arslan, C., Baydogan, N. "Radiation Shielding Properties of Poly (Methyl Methacrylate) / Colemanite Composite for the use in Mixed Irradiation Fields of Neutrons and Gamma Rays." Materials Chemistry and Physics (SCI), DOI: 10.1016/j.matchemphys.2018.09.014, September 2018.
[2] Bel, T., Cakar, H., Yahya, N., Arslan, C., Baydogan, N. "Investigation of the Bubble Effect in Lightweight PMMA Polymer." Defect and Diffusion Forum, Vol. 380, pp. 227-231, 2017.
[3] Bel, T., Baydogan, N., Cimenoglu, H. "Chapter 18: Effect of Curing Time on Poly(methacrylate) Living Polymer." Energy Systems and Management, Springer, 2015, pp. 193-198.