Il grafene per future esplorazioni spaziali

Il grafene per future esplorazioni spaziali

Il consorzio europeo Graphene Flagship completa gli esperimenti a gravità zero per testare il grafene per applicazioni spaziali. Anche il Cnr nel team che valuterà le performance degli scambiatori di calore, dispositivi termici impiegati nei satelliti. Le proprietà uniche del grafene possono migliorare significativamente le loro prestazioni.

La gestione termica è essenziale per i satelliti e altre apparecchiature per funzionare correttamente nello spazio. La differenza di temperatura tra due lati di un satellite, ad esempio quello illuminato dal sole e quello in ombra, può variare di oltre 200 gradi. Per rimuovere il calore indesiderato ed evitare guasti alle apparecchiature a si impiegano scambiatori di calore, noti come Loop heat pipe, che dissipano il calore in eccesso.

Gli scambiatori di calore raffreddano dispositivi e strumenti elettronici grazie all’evaporazione di un fluido che si trova all’interno di un materiale poroso, solitamente di metallo. In questo esperimento, il metallo poroso sarà rivestito in grafene per migliorare il trasferimento di calore tra le unità elettroniche e il fluido.

Queste attività sono una collaborazione tra i partner di Graphene Flagship: il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Bologna, l’Université Libre de Bruxelles, l’Università di Cambridge, e l’italiana Leonardo leader mondiale nel settore aerospaziale. Due precedenti campagne di volo – completate nel 2017 – hanno mostrato forti prove che le proprietà termiche del grafene possono migliorare l’efficienza degli scambiatori di calore. Questa terza campagna a gravità zero testa un dispositivo con un alto livello di maturità tecnologica, come ulteriore passo verso le applicazioni spaziali.

I voli parabolici sono utili per indagini scientifiche di breve durata a gravità ridotta. Sono l’unico modo per testare la microgravità con gli umani senza passare attraverso la Stazione Spaziale Internazionale. Per questo i voli parabolici sono spesso usati per convalidare gli strumenti spaziali
[image courtesy ESA]

“Questo nuovo esperimento di volo parabolico è un ulteriore passo per testare il grafene nello spazio”, ha spiegato Carlo Iorio, ricercatore dell’Université Libre de Bruxelles e coordinatore degli esperimenti a gravità zero. “A giugno poi testeremo il grafene in una campagna missilistica, che si terrà a Kiruna, nel nord della Svezia e che fornirà ai nostri ricercatori sei minuti di microgravità per comprendere ancora meglio il comportamento del grafene nei dispositivi di gestione termica”.

Vittorio Morandi, ricercatore dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del Cnr (CnrIMM) di Bologna, spiega: “Il grafene gioca un ruolo fondamentale in questa applicazione grazie una combinazione unica di proprietà. E’ in grado di migliorare il trasferimento termico tra fluido e metallo, di aumentare l’area superficiale dei materiali porosi metallici e di favorire la loro bagnabilità”. Nei laboratori di CnrIMM è stato realizzato il rivestimento in grafene del dispositivo. “Con una tecnica inizialmente sviluppata per applicazioni in un settore completamente diverso, quello dell’elettronica, chiamata deposizione chimica da vapore, il metallo poroso viene rivestito con una schiuma a base di grafene: si crea così la struttura di una ‘schiuma all’interno di una schiuma’ che aumenta la superficie di scambio del calore”, aggiunge Morandi.

Metallo poroso della scambiatore di calore ricoperto in grafene mediate CVD – deposizione chimica da vapore nei laboratori Cnr-IMM

“La sperimentazione in assenza di gravità è fondamentale per garantire l’accesso delle nuove tecnologie alle missioni operative nello spazio. Lo scambiatore di calore al grafene è un’applicazione promettente per Leonardo, un’azienda con una vasta esperienza aerospaziale, sempre alla ricerca di nuovi modi per migliorare la qualità dei suoi prodotti attraverso l’innovazione. Siamo lieti che Graphene Flagship lo abbia reso possibile “, afferma Marco Molina, Chief Technology Officer della linea di business Spazio di Leonardo.

“Gli esperimenti nello spazio richiedono investimenti significativi e una pianificazione estesa, sono possibili solo con collaborazioni a lungo termine tra industria e mondo accademico: questo è stato possibile grazie alle sinergie attivate da Graphene Flagship “, ha dichiarato Vincenzo Palermo del CNR e Vice-Direttore di Graphene Flagship.

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