211service.com
Nanosensorer i rymden
När du reser bortom jordens atmosfär är det avgörande att kunna mäta nivån av olika gaser som kan sippra in i rymdfarkosten på ett adekvat sätt. Faran är särskilt allvarlig under långa uppdrag, när föroreningar kan byggas upp i lufttillförseln, vilket hotar hälsan för alla besättningsmedlemmar och funktionen hos sofistikerad instrumentering. Forskare vid NASA Ames Research Center (ARC) och Goddard Space Flight Center bekämpar problemet med en ny kemisk nanosensor, den första i sitt slag som testas i rymden. Varje sensor är antingen gjord av kolnanorör eller nanotrådar, vilket ger den hög känslighet.
Rymdsensorer: Den kemiska nanosensorn som utvecklats av NASA var monterad på marinens satellit Midstar-1 och sköts upp i rymden via Atlas V-raketen (översta bilden). Nanosensormodulen (mittbilden) är ungefär 12 centimeter gånger 12 centimeter gånger 4 centimeter. Den innehåller ett datainsamlingskort, ett provtagningssystem, en tank med kvävedioxid och sensorchipset (nedre bilden). Nanosensorn är en kiselskiva på en centimeter för en centimeter som har 32 kanaler för detektion och använder olika nanostrukturmaterial för avkänning.
I mars reste nanosensorchippet, som bara vägde ett par gram, ut i rymden i ett elektroniskt och mekaniskt paket ombord på Naval Academys Midstar-1 satellit, och sattes på prov i slutet av maj. Enligt Jing Li, huvudforskaren och en senior forskare vid NASA Ames, kunde sensorn uthärda de intensiva förhållandena, inklusive temperatur- och tryckcykler, i rymden, såväl som de extrema vibrationerna och gravitationsförändringarna som uppstår under uppskjutningen.
Att göra en kemisk sensor för rymdresor med nanokomponenter är mycket betydelsefullt, säger Joseph Stetter, chef för Microsystems Innovation Center vid SRI International , i Menlo Park, CA. Detta är ett värdefullt sätt att närma sig saker och lösa problem i rymden.
NASA-forskare byggde nanosensorerna genom att belägga kolnanorör med olika polymerer som reagerar med olika kemikalier, eller genom att dopa kolnanorören och nanotrådarna med olika katalytiska metallpartiklar som fungerar som avkänningsmaterial. Det finns 32 avkänningskanaler på ett chip; beroende på vilken kemikalie som ska detekteras, placeras olika nanostrukturmaterial, kolnanorör eller metalloxidnanotrådar – belagda eller obelagda – i varje kanal. När en liten mängd av den riktade kemikalien vidrör avkänningsmaterialet utlöser det en reaktion som gör att den elektriska strömmen som flyter genom sensorn ökar eller minskar. De olika svaren kommer att bilda ett mönster som sensorn kan använda för att identifiera en gas.
För att testa nanosensorn injicerade forskarna kvävedioxid i kammaren som innehöll nanosensorn. När kvävedioxiden kom i kontakt med avkänningsmaterialen kunde sensorn mäta förändringen i elektricitet som passerade genom den. Hittills har forskare testat mer än 15 kemikalier, inklusive ammoniak, väteperoxid, väteklorid och formaldehyd.
Att använda kolnanorör för att känna av kemikalierna kan ha betydande fördelar, säger Jiri Janata , professor i skolan för kemi och biokemi vid Georgia Institute of Technology. För det första ökar användningen av nanostrukturmaterial förhållandet mellan yta och volym, vilket gör att materialen kan absorbera mer gas och därmed förbättra känsligheten.
Förutom den potentiellt ökade känsligheten är nanosensorerna solid state-enheter. Detta ger sensorn en hållbarhet på upp till fem år, jämfört med sex till tolv månaders livslängd för befintliga elektrokemiska sensorer.
Själva sensorchippet är en centimeter i kvadrat. I sitt elektroniska paket är den cirka 5,1 centimeter gånger 6,4 centimeter gånger 2,5 centimeter, och den är trådlös: den kan överföra sensordata från ett hörn av ett rum till ett annat, eller ett avstånd på 30 meter. Låg effekt, liten storlek och låg vikt är mycket viktigt i yttre rymden, säger Stetter. Tanken är att vi vill ha mer funktionalitet i mindre paket, speciellt med tanke på kostnaden för att lyfta något ut i rymden.
NASA-forskare hoppas att så småningom kunna placera nanosensorn ombord på skytteln, den internationella rymdstationen och andra fordon som är avsedda för rymden. Ingenjörer vid Kennedy Space Center har också visat intresse för sensorn för placering i lanseringsrampområdet för att övervaka bränsleläckor och kemisk spridning längs radien.
Tekniken för sensorerna är redo för rymden, säger Li, men innan de kan flyga i ett uppdrag måste de modifieras enligt de kemikalier som NASA är intresserade av att upptäcka. Sensorerna kommer också att behöva gå igenom NASA:s rymdkvalificeringsprocess, vilket kan vara ett långt äventyr i sig.