Gravità zero: il grafene per applicazioni aerospaziali

La più grande iniziativa di ricerca europea, la Flagship Graphene, e l’Agenzia spaziale europea (ESA) lavorano insieme per valutare l’uso del grafene in condizioni di gravità zero. Il Cnr ha un ruolo di primo piano in uno degli esperimenti in programma.

I ricercatori Cnr, in team con altri partner della Flagship Graphene, stanno preparando un avvincente esperimento in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) per valutare il potenziale del grafene per le applicazioni spaziali. L’esperimento, che partirà a novembre 2017, testerà il grafene in condizioni di assenza di gravità a bordo di un volo parabolico per verificare il suo impiego nei dispositivi termici impiegati nei satelliti.

Frutto di una collaborazione tra l’italiana Leonardo Spa, leader mondiale nel settore aerospaziale, due istituti del CNR, l’Istituto per la Sintesi Organica e Fotoreattività (ISOF) e l’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi di Bologna (IMM-Bo), l’Università libera di Bruxelles e l’Università di Cambridge, l’esperimento indagherà come i rivestimenti a base di grafene possono migliorare l’efficienza negli scambiatori di calore, noti come loop heat pipes, fondamentali sistemi di raffreddamento usati nei satelliti e negli strumenti aerospaziali.

Il team si riunirà a Bordeaux, in Francia, tra il 6 e il 17 novembre 2017 per testare gli scambiatori di calore contenti grafene in condizioni di microgravità in un volo parabolico, gestito dall’Agenzia spaziale europea (ESA) e da Novespace (Francia).

Il volo parabolico è il metodo utilizzato per portare il valore della gravità vicino allo zero senza andare in orbita: mentre l’aereo segue una traiettoria parabolica si può arrivare ad avere fino a 25 secondi di assenza di peso. Ogni volo, che avrà la durata di 3 ore, comporterà circa 30 archi parabolici. Oltre all’assenza di gravità, a bordo si sperimenta anche fino al doppio della forza gravitazionale terrestre quando l’aereo si prepara alla parabola successiva, come su un gigantesco ottovolante.

La gestione termica è molto importante nei satelliti, poiché la mancanza di aria richiede soluzioni tecnologiche specifiche per disperdere il calore verso lo spazio profondo: le alte temperature infatti possono compromettere le prestazioni dell’elettronica e degli strumenti a bordo. La differenza di temperatura tra due lati di un satellite, quello rivolto verso il sole e quello al buio, può essere estrema e arrivare fino a 200 gradi. Gli scambiatori di calore trasferiscono il calore dalle parti calde a quelle fredde, e disperdono quello in eccesso verso lo spazio.

Il team di ricerca intende sfruttare le proprietà termiche e fisiche del grafene per migliorare l’efficienza degli scambiatori di calore. Questi infatti raffreddano i dispositivi a bordo grazie all’evaporazione di un liquido che si trova all’interno di una struttura di materiale poroso, solitamente di metallo. Sostituendo il materiale metallico con un composito a base di grafene e metallo, i ricercatori mirano a migliorare il trasferimento di calore tra le unità elettroniche e il fluido che lo attraversa.

“Il materiale poroso sarà rivestito con una schiuma a base di grafene, creando la struttura di una ‘schiuma all’interno di una schiuma’ “, spiega Vincenzo Palermo di ISOF-CNR, che per la Flagship Graphene coordina le attività sui materiali compositi. “Ciò aumenta enormemente la superficie di interazione con il liquido, in modo che il calore possa essere trasferito con più uniformità dal materiale poroso al fluido. Le schiume a base di grafene miglioreranno anche la pressione capillare del materiale poroso, permettendo al fluido di muoversi più rapidamente nel suo ciclo attraverso l’intero scambiatore di calore. L’azione capillare infatti attira il fluido verso il materiale poroso, che in in tal modo viene continuamente pompato e tenuto in circolo nel ciclo chiuso del dispositivo scambiatore, fornendo un raffreddamento costante”.

Il rivestimento in grafene sarà realizzato nei laboratori di Bologna di ISOF e IMM-Bo e presso il Cambridge Graphene Center. L’esperimento è costruito all’interno di un modulo appositamente progettato, per tenere tutto in posizione durante i periodi di gravità modificata, che verrà assemblato presso il Centro di Ricerca in Microgravità (Bruxelles). Leonardo, il partner industriale italiano, fornisce invece le specifiche per rendere questi componenti adatti a essere utilizzati in vere applicazioni spaziali in orbita, dopo il test in condizioni di spazio simulato. L’esperimento sarà la 67 ° campagna di volo parabolica ESA ed è gestito da Novespace in partnership con ESA.

Il team di ricerca

Sito dell’esperimento Satellite Heat Pipes

[Crediti immagine: Graphene Flagship]

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