Een van de grootste uitdagingen bij het werken en leven in de ruimte is de dreiging van straling. Naast zonne- en kosmische straling die gevaarlijk zijn voor de gezondheid van astronauten, is er ook ioniserende straling die hun elektronische apparatuur bedreigt. Dit vereist dat alle ruimtevaartuigen, satellieten en ruimtestations die naar de ruimte worden gestuurd, worden afgeschermd met materialen die vaak vrij zwaar en / of duur zijn.
Op zoek naar alternatieven, bedacht een team van ingenieurs een nieuwe techniek voor het produceren van stralingsafscherming die lichtgewicht en kosteneffectiever is dan bestaande methoden. Het geheime ingrediënt is, volgens hun recent gepubliceerde onderzoek, metaaloxiden (ook bekend als roest). Deze nieuwe methode kan tal van toepassingen hebben en kan leiden tot een aanzienlijke daling van de kosten in verband met ruimtelanceringen en ruimtevluchten.
De studie van het onderzoeksteam is online verschenen en zal worden opgenomen in het nummer van juni 2020 van het wetenschappelijke tijdschrift Stralingsfysica en chemie. De studie werd uitgevoerd door Michael DeVanzo, een senior systeemingenieur bij Lockheed Martin Space, en Robert B. Hayes, een universitair hoofddocent nucleaire engineering aan de North Carolina State University.
Simpel gezegd, ioniserende straling zet energie af op de atomen en moleculen waarmee het interageert, waardoor elektronen verloren gaan en ionen produceren. Op aarde is dit type straling geen probleem, dankzij het beschermende magnetische veld van de aarde en de dichte atmosfeer. In de ruimte komt ioniserende straling echter veel voor en komt uit drie bronnen: galactische kosmische straling (GCR's), zonnevlamdeeltjes en aardstralen (ook bekend als Van Allen Belts).
Om te beschermen tegen dit type straling, zullen ruimtevaartagentschappen en commerciële ruimtevaartfabrikanten doorgaans gevoelige elektronica omsluiten in metalen dozen. Hoewel metalen zoals lood of verarmd uranium de meeste bescherming bieden, zou dit soort afscherming een aanzienlijk gewicht aan een ruimtevaartuig toevoegen.
Vandaar dat aluminium kisten de voorkeur hebben, omdat wordt aangenomen dat ze de beste afweging bieden tussen het gewicht van een schild en de bescherming die het biedt. Zoals Prof. Hayes uitlegde, probeerden hij en DeVanzo materialen te onderzoeken die een betere bescherming zouden kunnen bieden en het totale gewicht van ruimtevaartuigen verder zouden verminderen:
“Onze aanpak kan worden gebruikt om hetzelfde niveau van stralingsafscherming te behouden en het gewicht met 30% of meer te verminderen, of u kunt hetzelfde gewicht behouden en de afscherming met 30% of meer verbeteren - vergeleken met de meest gebruikte afschermingstechnieken. Hoe dan ook, onze aanpak vermindert het volume van de ruimte dat wordt ingenomen door afscherming. ”
De techniek die hij en DeVanzo hebben ontwikkeld, berust op het mengen van poedervormig geoxideerd metaal (roest) in een polymeer en het vervolgens op te nemen in een gewone coating die vervolgens op elektronica wordt aangebracht. Vergeleken met metaalpoeders bieden metaaloxiden minder bescherming, maar zijn ze ook minder giftig en veroorzaken ze niet dezelfde elektromagnetische problemen die de elektronica van een ruimtevaartuig zouden kunnen verstoren. Zoals DeVanzo uitlegde:
“Berekeningen van het stralingstransport laten zien dat opname van het metaaloxidepoeder een afscherming biedt die vergelijkbaar is met een conventionele afscherming. Bij lage energieën vermindert het metaaloxidepoeder zowel de gammastraling naar de elektronica met een factor 300 als de schade door neutronenstraling met 225%. ”
"Tegelijkertijd is de coating minder volumineus dan een afschermdoos", voegde Hayes eraan toe. “En in computationele simulaties absorbeerde de slechtste prestatie van de oxidebekleding nog steeds 30% meer straling dan een conventionele afscherming met hetzelfde gewicht. Bovendien is het oxide-deeltje veel goedkoper dan dezelfde hoeveelheid puur metaal. ”
Naast het verminderen van het gewicht en de kosten van op de ruimte gebaseerde elektronica, zou deze nieuwe methode mogelijk de behoefte aan conventionele afscherming bij ruimtemissies kunnen verminderen. Vooruitblikkend zullen DeVanzo en Hayes hun afschermingstechniek voor verschillende toepassingen blijven verfijnen en testen en zijn ze op zoek naar industriële partners om hen te helpen de technologie voor industrieel gebruik te ontwikkelen.
