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Vielseitigkeit von Graphen erstreckt sich auf Weltraumanwendungen

Im Zuge einer ausgeklügelten Reihe von Experimenten haben europäische Teams erstmals Graphen unter Mikrogravitationsbedingungen getestet. Die spannenden Ergebnisse stellen eine wertvolle Grundlage für die Entwicklung von Graphenvorrichtungen dar, die auf eine Verwendung im Weltraum ausgelegt sind.

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Graphen weist einzigartige mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften auf, die Forscher dazu inspiriert haben, die Nützlichkeit dieses zweidimensionalen Gitters von reinem Kohlenstoff zu untersuchen. Forscher und Studenten der Forschungsinitiative Graphene Flagship haben in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) festgestellt, dass das Material zusätzliches Potenzial für die Verwendung in Weltraumanwendungen aufweist, unter anderem als Lichtantrieb und zur Wärmekontrolle. Die Ergebnisse, die aus dieser gut abgestimmten Synergie hervorgehen, markieren den ersten Schritt in der Erweiterung der Grenzen der Graphenforschung. Weltraumsegeln mit Graphen Breakthrough Starshot ist ein Projekt des Forschungsprogramms Breakthrough Initiatives im Bereich Forschung und Technik, das auf die Entwicklung einer Konzeptnachweis-Flotte von Beisegel-Weltraumfahrzeugen abzielt, die das Sternsystem Alpha Centauri innerhalb von 20 Jahren nach dem Start erreichen werden. Ein „Graphene Flagship“-Team von Doktoranden der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, die sich an dem Programm ESA Education’s Drop Your Thesis! beteiligte, unternahm einen ersten Schritt in Richtung dieses ambitionierten Ziels. Das Programm bot den Doktoranden die Chance, ein Experiment zur Mikrogravitation am Fallturm des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen durchzuführen, um das Potential von Graphen als Sonnensegelmaterial für den Antrieb eines Weltraumfahrzeugs zu testen. Zur Herstellung von Mikrogravitationsbedingungen wurde eine Kapsel, die Kameras, Laser und Graphen beinhaltete, von dem 150 Meter hohen Turm fallen gelassen, was 4,5 Sekunden lang zu Schwerelosigkeit führte. Der Strahlungsdruck von dem leistungsstarken Laserlicht, das auf die Graphenmembran strahlte, führte dazu, dass sich das Segel bewegte. Das Team maß die Verschiebung mit einem Mikroskop, um den Schub auf die Graphensegel zu bestimmen. „Bei einem effektiven Antrieb muss das Lichtsegel eine große Oberfläche haben und so leicht wie möglich sein. Graphen erfüllt diese Anforderungen, da es sehr leicht und stark ist, und auf eine große Fläche ausgedehnt werden kann“, bemerkt Prof. Andrea Ferrari (Universität Cambridge (Vereinigtes Königreich)), Verantwortlicher für Wissenschaft und Technik von Graphene Flagship. Graphen verteilt Wärme Forscher von „Graphene Flagship“-Partnereinrichtungen – die freie Universität Brüssel (ULB) (Belgien), die Universität Cambridge (Vereinigtes Königreich), das Bologna-Institut des italienischen nationalen Forschungsrats (CNR) (Italien) und Leonardo (Italien) – entwickelten ein Experiment, um zu prüfen, inwiefern Graphen-basierte Beschichtungen unter Nutzung der einzigartigen thermischen Eigenschaften des Materials die Effizienz von Satellitenkühlsystemen verbessern könnten. Prof. Ferrari erklärt: „Graphen wird in sogenannten Wärmerohren verwendet, dies sind Pumpen, die Fluide transportieren, ohne dass mechanische Teile erforderlich sind. Dies ist für Weltraumeinsätze überaus wichtig, da ohne Verschleiß und Abnutzung kein Wartungsbedarf besteht. Wärmerohre können zum Beispiel Wärme von heißen Elektroniksystemen in Satelliten in den Weltraum hinaus transportieren.“ Das Material wurde an Bord eines Schwerelosigkeitsflugzeugs von Novespace für Parabelflüge gebracht, auf dem bei einem Durchgang Mikrogravitationsbedingungen für Intervalle von etwa 24 Sekunden hergestellt werden. Das Team führte sechs Flüge mit jeweils 31 Parabelbögen durch, was insgesamt einer Stunde in Schwerelosigkeit entspricht. „Das Graphen an Bord hielt der Umgebung stand und zeigte eine gute Leistung. Die Experimente zeigten, dass Graphen den Kapillardruck des Fluids in dem metallischen Büschelentlader um 40 % und die Verdunstungsrate um 800 % verbesserte“ bemerkt Prof. Ferrari. Beide Experimente erwiesen sich als Vorzeigebeispiel für das vielseitige Potential von Graphen, dessen Einsatzmöglichkeiten jetzt erweitert wurden, da die Nützlichkeit des Materials im Weltraum unter Beweist gestellt worden ist. Auf der Grundlage der ermutigenden Ergebnisse werden im Rahmen der Flagship-Initiative weitere Graphenvorrichtungen zur Anwendung unter realen Weltraumbedingungen entwickelt und optimiert.

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