Поиск обитаемых миров: роль новых материалов
Уникальный новый материал, который сжимается при нагревании и расширяется при охлаждении, может помочь в создании ультрастабильных космических телескопов, которые потребуются для будущих миссий NASA по поиску пригодных для жизни миров.
Цели NASA в области астрофизики
Одной из целей Отдела астрофизики NASA является определение того, одиноки ли мы во Вселенной. Миссии NASA в области астрофизики стремятся ответить на этот вопрос путём поиска планет за пределами нашей Солнечной системы (экзопланет), которые могли бы поддерживать жизнь.
За последние два десятилетия учёные разработали способы обнаружения атмосфер на экзопланетах путём тщательного наблюдения за звёздами с помощью современных телескопов.
Как работают телескопы
Когда свет проходит через атмосферу планеты, отражается от её поверхности или излучается ею, телескопы могут измерять интенсивность и спектр (то есть «цвет») света и обнаруживать различные сдвиги в свете, вызванные газами в атмосфере планеты. Анализируя эти закономерности, учёные могут определить типы газов в атмосфере экзопланеты.
Декодирование этих сдвигов — непростая задача, поскольку экзопланеты находятся очень близко к своим звёздам-хозяевам, когда мы их наблюдаем, а звёздный свет в миллиард раз ярче, чем свет от экзопланеты размером с Землю.
Для успешного обнаружения обитаемых экзопланет будущей обсерватории NASA Habitable Worlds Observatory потребуется коэффициент контрастности один к одному миллиарду (1:1 000 000 000).
Роль новых материалов
Достижение такого экстремального коэффициента контрастности потребует телескопа, который в 1000 раз более стабилен, чем современные космические обсерватории, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба NASA и его будущий космический телескоп Нэнси Грейс Роман.
Команда из компании ALLVAR сотрудничает с Центром космических полётов имени Маршалла NASA и Лабораторией реактивного движения NASA, чтобы продемонстрировать, как интеграция нового материала с уникальными характеристиками отрицательного теплового расширения может помочь в создании ультрастабильных структур телескопов.
Стабильность материалов всегда была ограничивающим фактором для наблюдения за небесными явлениями. На протяжении десятилетий учёные и инженеры работали над преодолением таких проблем, как микроползучесть, тепловое расширение и расширение от влаги, которые пагубно влияют на стабильность телескопов.
Новый сплав от ALLVAR
Материалы, которые в настоящее время используются для изготовления зеркал и стоек телескопов, значительно улучшили стабильность размеров великих обсерваторий, таких как Уэбб и Роман. Однако, как указано в Обзоре десятилетия по астрономии и астрофизике 2020 года, разработанном Национальными академиями наук, инженерии и медицины, они всё ещё не достигают стабильности на уровне 10 пикометров в течение нескольких часов, которая потребуется для обсерватории Habitable Worlds.
Для финансирования перехода этого материала из лаборатории в коммерческое производство NASA и другие источники предоставили финансирование. Компания ALLVAR получила финансирование от NASA Small Business Innovative Research (SBIR) для масштабирования и интеграции нового сплава в демонстрационные проекты структуры телескопа для потенциального использования в будущих миссиях NASA, таких как обсерватория Habitable Worlds.
Этот сплав сжимается при нагревании и расширяется при охлаждении — свойство, известное как отрицательное тепловое расширение (NTE). Например, сплав ALLVAR Alloy 30 демонстрирует коэффициент теплового расширения (CTE) -30 ppm/°C при комнатной температуре. Это означает, что кусок этого сплава длиной 1 метр сожмётся на 0,003 мм при повышении температуры на 1 °C. Для сравнения, алюминий расширяется на +23 ppm/°C.
Поскольку этот сплав сжимается, когда другие материалы расширяются, его можно использовать для стратегической компенсации расширения и сжатия других материалов. Уникальное свойство NTE и отсутствие расширения от влаги могут позволить оптическим конструкторам удовлетворить потребности в стабильности будущих конструкций телескопов.
Расчёты показали, что интеграция сплава ALLVAR Alloy 30 в некоторые конструкции телескопов может улучшить термическую стабильность до 200 раз по сравнению с использованием только традиционных материалов, таких как алюминий, титан, полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), и никелево-железный сплав инвар.