石墨烯研究又跨出重要一步——進入太空不再遙遠

石墨烯研究又跨出重要一步——進入太空不再遙遠

圖為石墨烯旗艦項目中，研究人員進行微重力實驗所使用的飛機。Novespace公司負責管理操作，通過在飛機內創造零重力條件以進行特殊的試驗。

石墨烯旗艦項目的科學技術官員、英國劍橋大學教授Andrea Ferrari表示：“正如我們所知，石墨烯在很多方面應用廣泛，其中就包括太空應用（早期就被人們意識到）。此次在模擬太空環境的條件下對石墨烯進行應用測試在全世界范圍內還是第一次。”

石墨烯優異的熱特性有望提高環路熱管（航空航天和衛星應用中使用的熱控制系統）的工作性能。同時，石墨烯重量輕，能夠與光發生強烈的相互作用，因此其也可用于太空推進。石墨烯旗艦項目在2017年11月和12月的試驗中對這兩個方面的應用進行了測試。

環路熱管的主要元件是金屬芯，其將熱量從熱物體轉移到流動液體中以冷卻系統。研究者對兩種不同類型的石墨烯進行了測試。測試工作由比利時布魯塞爾自由大學微重力研究中心（Microgravity Research Center）、英國劍橋大學劍橋石墨烯中心；意大利國家研究理事會（CNR）的有機合成與光反應研究所、微電子與微系統研究所；同時還有意大利的行業合作伙伴萊昂納多?斯帕（Leonardo Spa）（其是航空航天領域的全球領導者，主要經營航天系統和高科技儀器制造業務以及發射和在軌服務、衛星服務的管理）共同合作完成。

萊昂納多空間業務的首席技術官Marco Molina博士說：“我們的目標是延長衛星和太空探測器的使用壽命，并提高其自主性。通過添加石墨烯，我們可以獲得更加可靠的環路熱管——能夠在太空中自主運行。”

在實驗室的測試中取得良好的結果后，研究人員又在11月和12月對環路熱管的金屬芯進行了兩次ESA拋物線飛行試驗。Ferrari 教授補充道：“我們已經完成了實驗室里的測試，結果喜人。考慮到這些器件將用在衛星中，因此，我們需要模擬衛星的發射條件，從而了解芯片在低重力條件以及超重力條件下的性能。”

在拋物線飛行條件下進行微重力實驗的布魯塞爾自由大學的學生Vanja Miskovic感嘆道：“這真是太神奇了。這種感覺令人難以置信。在這種條件下進行實驗不僅非常有趣，而且還能享受自由浮動的樂趣。整個實驗過程都棒極了。”

拋物線飛行試驗的結果證實了金屬芯性能的提高，因此石墨烯旗艦項目將繼續研發基于石墨烯的環路熱管，以期實現商業化生產。石墨烯旗艦項目副總監Vincenzo Palermo（CNR）說道：“我認為這是表現旗艦項目工作方式的一個很好的例子：將三個學術合作伙伴和一個擁有明確發展目標的大行業凝聚在一起。目前，我們已經完成了對該設備原理及核心部件的測試工作。下一步將優化整個設備，并制備出能夠在衛星上工作的完整的環路熱管。”

由來自荷蘭代爾夫特工業大學（TU Delft）的一個博士生團隊進行石墨烯在太空推進方面的測試工作。他們參加了歐洲空間局（ESA）組織的“放棄你的論文！”活動，從而獲得了在德國不來梅的ZARM Drop Tower進行微重力實驗的機會。為了創造極端微重力條件——僅為地球重力的百萬分之一，一個裝有實驗裝置的太空艙在146米高的塔上上下彈射，期間會產生9.3秒的失重。荷蘭代爾夫特空間研究院也為GrapheneX團隊提供了支持。

這個名為GrapheneX的團隊設計進行了一個實驗，用來測試石墨烯在太陽能帆板中的使用情況，試驗中用到的能夠自由活動的石墨烯膜由旗艦項目的合作伙伴Graphenea提供。這一想法主要是為了測試石墨烯膜在激光輻射壓力下的性能。從2017年11月13日至17日，實驗總共進行了五次。

GrapheneX團隊的成員Rocco Gaudenzi說：“我們的試驗就像是一個復雜的‘鐘表裝置’，每一步都必須按順序、在正確的時間進行（實現無縫銜接）。一般地，需要完全重新建立這樣一個‘鐘表裝置’的情況很少發生，而且試驗不是在普通條件下進行——而是在發射期間。”

該團隊努力的工作以保證試驗取得成功。GrapheneX團隊成員Davide Stefani表示：“盡管最初我們遇到了技術方面的困難，但我們在最短的時間內弄清楚了出現的問題并將其解決，使整個試驗回到了正軌。我們對實驗的結果非常滿意，因為我們觀察到了由激光誘導產生的石墨烯帆板的運動。最重要的是我們獲得了非常棒的經驗！”

GrapheneX團隊負責人Santiago J. Cartamil-Bueno表示，經驗和結果對團隊而言都具有很大的價值。他說：“最重要的一點是，這讓人們懂得了：事情總會發生，你需要做好適應或改變它的準備。我認為在一天結束的時候，一切都成為了經驗；你只需要不斷創造新的挑戰，并從中吸取教訓，同時準備好獲得更多的經驗，然后進入下一個階段。”

盡管GrapheneX團隊的試驗已經完成，但是該團隊正在考慮進一步的測試項目，以繼續探索輻射壓力對石墨烯帆板的影響。這將作為他們的一個新的、具有野心的研究項目的一部分。

這兩個項目的結果證明了石墨烯的多功能性，是拓展石墨烯研究領域的第一步。

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