Naprawdę mocnych i wytrzymałych materiałów trzeba szukać poza Ziemią
Kiedy po raz pierwszy dowiedziałam się o materiale zwanym węglikiem krzemu, byłam zaszokowana. Jest to jeden z najtwardszych materiałów syntetycznych, prawie tak twardy, jak diament i odporny na korozję. Jego wewnętrzna struktura może przybierać formę ponad 200 różnych rodzajów krysztalicznych. A oto naprawdę wspaniała wiadomość: przy ciśnieniu atmosferycznym się nie topi – nie tworzy formy ciekłej, ale gdy osiąga temperaturę 2700°C, od razu przechodzi ze stanu stałego w gaz.
Na węglik krzemu natknęłam się podczas pracy nad doktoratem z inżynierii mechanicznej na University of California w Berkeley. Jego niewiarygodne właściwości sprawiły, że zainteresowałam się materiałoznawstwem. Zainspirowało mnie to do zbadania problemów i możliwości związanych z wykorzystaniem tego dziwnego materiału do produkcji urządzeń elektronicznych.
Dopiero po uzyskaniu doktoratu dowiedziałam się, że węglik krzemu jest wytrzymały nie tylko na Ziemi – może również sprostać wielu niezwykłym warunkom występującym w przestrzeni kosmicznej: promieniowaniu, pyłowi kosmicznemu, ekstremalnym temperaturom i brakowi grawitacji. Promieniowanie kosmiczne – wysokoenergetyczne cząstki, takie jak protony, elektrony i neutrony – niszczy większość urządzeń elektronicznych. Węglik krzemu jest jednak o 60% mniej wrażliwy na promieniowanie kosmiczne niż krzem. Większość materiałów nie radzi sobie z ekstremalnymi temperaturami, jakie panują na rozpalonej Wenus czy lodowatym Uranie, nie mówiąc już o przeskakiwaniu między tymi przeciwieństwami. Ale węglik krzemu tak.
Uświadomienie sobie, że może mieć on odpowiednie właściwości dla zastosowań w kosmosie, wyznaczyło kierunek mojej kariery, która łączy badania materiałowe z eksploracją kosmosu. Fascynuje mnie to, w jaki sposób przestrzeń kosmiczna wpływa na materiały i jak materiały sprawdzają się w kosmosie. Obecnie projektuję układy elektroniczne przeznaczone dla misji kosmicznych i badam, w jaki sposób otrzymywanie materiałów na orbicie może je ulepszyć.
Większość mojej pracy związana jest z Wenus. To nasz najbliższy sąsiad, ale do tej pory ludzie mogli obejrzeć tylko kilka kolorowych zdjęć panoramicznych powierzchni Wenus, zrobionych przez radziecką misję w 1982 roku. Naukowcy stawiają hipotezę, że miliardy lat temu Wenus wyglądała jak Ziemia, z płynącą na jej powierzchni wodą i chłodniejszym klimatem. Dziś ta powierzchnia jest rozgrzana do temperatury 475°C, wystarczająco wysokiej, by stopić ołów. Atmosfera składa się z dwutlenku węgla i dwutlenku siarki, a niebo pokrywają chmury z kwasu siarkowego. Na powierzchni Wenus panuje ogromne ciśnienie – ponad 90 razy większe niż na Ziemi – czyli takie, jakie występuje kilometr pod powierzchnią naszych oceanów.
Jeszcze za mojego życia chciałabym zobaczyć misję lądownika na Wenus, która mogłaby zebrać dane na temat temperatury powierzchni i wzorców pogodowych. NASA proponuje przeprowadzenie 60-dniowej misji w celu wykonania wielu pomiarów na powierzchni Wenus, ale agencja nie wie jeszcze, jak zbudować niezbędne instrumenty. W moim laboratorium EXtreme Environment Microsystems Laboratory (Laboratorium Mikrosystemów dla Środowiska Ekstremalnego; XLab) na Stanford University wspólnie z moimi studentami konstruuję maleńki, ale wytrzymały układ elektroniczny zaprojektowany tak, aby przetrwać wszystko, co napotka na Wenus.
Jednym z największych wyzwań są wysokie temperatury panujące na planecie. Pod wpływem takiego ciepła wiele materiałów po prostu się stopi. Nawet jeśli tak się nie stanie, ich sprężystość i inne właściwości mogą ulec zmianie i trudno przewidzieć, jak one wpłyną na zdolność urządzeń do działania. Dla przykładu, gdyby telefon komórkowy wylądował na Wenus, energia cieplna wywołałaby w nim lawinę elektronów i doprowadziła do awarii.
Telefony komórkowe (i większość naszej codziennej elektroniki) opierają się na materiałach półprzewodnikowych, głównie na krzemie. Zwykle na wierzchu umieszczona jest metalowa elektroda. Gdy jednak zbytnio się rozgrzeją, metal może przeniknąć do półprzewodnika i zmienić właściwości mechaniczne i elektryczne materiału, przekształcając go w niepożądany stop.
W tym miejscu na scenę wkracza węglik krzemu. Zarówno on, jak i inny badany przeze mnie materiał zwany azotkiem galu stanowią dobry zamiennik zwykłego krzemu. Azotek galu jest często wykorzystywany w energoelektronice, elektronice wysokiej częstotliwości i niebieskich diodach LED. Podobnie jak krzem, oba materiały mają właściwości półprzewodnikowe, ale w przeciwieństwie do niego są odporne na wysokie temperatury i promieniowanie ze względu na szerokie pasmo zabronione i wysoką energię wiązania atomowego. Mówiąc prościej, elektrony w tych materiałach potrzebują dużo energii, aby osiągnąć poziom wymagany do przewodzenia, więc zachowują się normalnie nawet wtedy, gdy są gorące. Azotek galu może funkcjonować elektrycznie w temperaturach wyższych niż 1000°C.
W czystych pomieszczeniach (clean rooms) w Stanford Nanofabrication Facility moi studenci i ja tworzymy maleńkie tranzystory z azotku galu. Następnie przenosimy je do laboratorium XLab i tam przez sześć dni podgrzewamy do temperatury 470°C za pomocą naszego specjalistycznego sprzętu testowego. Sześć dni to nie to samo, co 60 dni, czyli długość planowanej misji NASA na Wenus, ale o wiele dłużej niż rosyjska dwugodzinna misja sprzed 30 lat; zmierzamy zatem w dobrym kierunku.
Czasami nasze komponenty elektroniczne poddajemy dodatkowo pełnej symulacji chemicznej warunków wenusjańskich. Robimy to w Cleveland w należącym do NASA Glenn Extreme Environments Rig. Niektóre z moich eksperymentów przeprowadzam w tym ośrodku w temperaturze 475°C pod ciśnieniem 90 atm w obecności dwutlenku siarki, czyli w warunkach panujących na Wenus. Nie chciałabym mieć takiej chemii w swoim laboratorium, ale cieszę się, że NASA ją ma.
Choć węglik krzemu i azotek galu są obiecującymi materiałami do wyrobu niezwykle odpornej elektroniki, trudno jest je wytwarzać, unikając wielu defektów. Na Ziemi możemy produkować z nich tylko małe płytki. W kosmosie sytuacja jest jednak inna, gdyż brak kilku zjawisk związanych z grawitacją powinien umożliwić nam szybsze wytwarzanie większych, bardziej jednorodnych kryształów i innych materiałów.
Na Ziemi grawitacja ma ograniczający wpływ na procesy fizyczne, z których korzystamy przy produkcji półprzewodników i innych materiałów. Tworzenie produktów w warunkach braku grawitacji oferuje pewnego rodzaju wolność. Aby zrozumieć różnicę, rozważmy znajdującą się na Ziemi filiżankę kawy po turecku. Klarowny napój można pić po tym, jak grawitacja ściągnie drobne fusy z kawy na dno filiżanki. Jednak w warunkach mikrograwitacji panujących w przestrzeni kosmicznej fusy z kawy unosiłyby się równomiernie w całej filiżance, a astronauta biorący łyk miałby usta pełne drobin. Jest to oczywiście stan mało komfortowy w przypadku picia kawy, ale korzystny dla innych celów. Gdy substancje są równomiernie zawieszone w cieczy, tak jak ma to miejsce w przestrzeni kosmicznej, można tworzyć materiały o bardziej jednolitych właściwościach i robić to szybciej.
Kolejnym występującym na Ziemi czynnikiem ograniczającym jest siła wyporu, której nie ma w warunkach mikrograwitacji. Na Ziemi pęcherzyki powietrza i inne substancje lżejsze od wody unoszą się w cieczy. Podczas syntezowania materiału na Ziemi siła wyporu może uniemożliwić równomierne wymieszanie dwóch substancji. W stanie mikrograwitacji pęcherzyk powietrza waży tyle samo co woda i nie unosi się ku powierzchni, dzięki czemu woda i powietrze lepiej się mieszają.
Konwekcja termiczna – ruch cząsteczek w płynie lub gazie spowodowany zmianami temperatury, który może zakłócić syntezę materiału i zaszkodzić jakości produktu końcowego – to następny proces niemający miejsca w stanie mikrograwitacji. W rezultacie materiały wykonane w warunkach bez konwekcji wykazują mniej defektów.
Po raz pierwszy zainteresowałam się wytwarzaniem materiałów na orbicie około pięć lat temu, kiedy zostałam zaproszona na warsztaty poświęcone wytwarzaniu nanomateriałów w przestrzeni kosmicznej. Nie miałam zbyt dużej wiedzy na ten temat, ale wydarzenie to wzbudziło moje zaciekawienie. Po warsztatach pojawiło się zaproszenie do składania wniosków dotyczących produkcji materiałów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (MSK), skorzystałam więc z nadarzającej się okazji. Okazją było zaproszenie wystosowane wspólnie przez National Science Foundation (Państwowa Fundacja Nauki) i Center for the Advancement of Science in Space (Centrum Rozwoju Nauki w Kosmosie; CASIS), które zarządza stacją kosmiczną i prowadzonymi na niej badaniami.
Wcześniej wiedziałam, jak tworzyć rzeczy tylko na Ziemi. Teraz było tak, jakbym wróciła do czasów studenckich. Przez kilka dni nie spałam, całe noce czytając artykuły o wcześniejszych pracach na stacji kosmicznej. Im więcej się dowiadywałam, tym bardziej byłam podekscytowana produkcją w warunkach mikrograwitacji. To było jak zapalenie się lampki w moim mózgu – zrozumiałam, że mikrograwitacja to nowe pole do popisu dla półprzewodników i materiałoznawstwa.
Materiały produkowane w kosmosie mogą nie tylko być lepsze od wytwarzanych na Ziemi, ale także bardziej nadawać się do ewentualnego wykorzystania w przestrzeni kosmicznej: ich produkcja w kosmosie jest z pewnością wygodniejsza niż tworzenie wszystkiego na Ziemi i wynoszenie w rakiecie. Dla przykładu, gdy w 2014 roku jeden z członków załogi MSK zgubił gdzieś klucz, inżynierowie opracowali projekt dla drukarki 3D w kosmosie, co pozwoliło wykonać na miejscu zastępczy klucz dla astronauty.
Kiedy zaczynałam zgłębiać ten temat, nie miałam pojęcia, że naukowcy z NASA stworzyli już kiedyś w przestrzeni kosmicznej kryształy półprzewodnikowe. W 1992 roku NASA uruchomiła pierwsze amerykańskie laboratorium mikrograwitacyjne na pokładzie promu kosmicznego Columbia, a astronauci uzyskali tam dwa kryształy arsenku galu. Niedawno naukowcy skonstruowali w kosmosie światłowody. Gdy już zapoznałam się z dotychczasowymi osiągnięciami, poświęciłam się projektowaniu własnego eksperymentu kosmicznego. Jednym z problemów było ustalenie, do jakich urządzeń na stacji będę mieć dostęp. Wytwarzanie kryształów lub materiałów półprzewodnikowych często wymaga wysokich temperatur, które mogą stanowić niebezpieczeństwo. Większość sprzętu na MSK zaprojektowano z myślą o eksperymentach biologicznych, które przebiegają w niższych i bezpieczniejszych temperaturach. Na szczęście dla mnie i mojego zespołu, na pokładzie znajduje się mała maszyna o nazwie SUBSA (Solidification Using a Baffle in Sealed Ampoules), podobna do pieców do wytwarzania półprzewodników, które można znaleźć w czystych pomieszczeniach. Można w niej uzyskać temperaturę 850°C – wystarczającą do naszych celów. Moi współpracownicy i ja wpadliśmy na pomysł wyhodowania w piecu SUBSA pewnego rodzaju nanomateriału – aerożelu grafenowego – i zdobyliśmy grant NSF-CASIS.
Pierwszego sierpnia wystrzeliliśmy nasz eksperyment na MSK na pokładzie rakiety Northrop Grumman NG-19. Wysłaliśmy mały autoklaw – urządzenie, w którym uzyskiwane są podwyższona temperatura i ciśnienie – wypełniony wodą i płatkami tlenku grafenu, używanego przez nas jako składnik wyjściowy. Po jego dotarciu na stację astronauci załadowali autoklaw do pieca SUBSA i podgrzali go do temperatury 180°C. W trakcie tego procesu zawartość uległa przekształceniu w hydrożel grafenowy – zasadniczo mieszaninę grafenu i wody. Próbki te powróciły na Ziemię 4 września w ramach misji Crew-6 firmy SpaceX. To niesamowite, że produkty naszego eksperymentu trafiły do ziemskiej atmosfery wraz z czterema astronautami. Teraz planujemy wysuszyć próbki, aby zmienić hydrożel w aerożel, w którym wodę zastępuje powietrze.
Grafen, warstwa atomów węgla ustawionych w kształt sześciokątów o grubości jednego atomu, jest mocniejszy niż stal i przewodzi prąd elektryczny. W postaci aerożelu jest gąbczasty i ma właściwości, które mogą uczynić go użytecznym w wielu zastosowaniach, m.in. do izolacji termicznej, magazynowania energii w bateriach, w ochronie środowiska, do budowy czujników.
Kiedy tworzymy aerożel grafenowy w laboratorium XLab na Ziemi, grawitacja zakłóca sposób, w jaki arkusze łączą się ze sobą podczas procesu jego tworzenia. Ponadto materiał jest podatny na sedymentację. Płatki grafenu mogą opadać na dno naszego pojemnika niczym fusy z kawy po turecku. Taki brak równowagi prowadzi do powstawania aerożeli o nierównomiernej przewodności, gorących punktów i awarii.
Moi studenci i ja spodziewamy się jednak, że na MSK płatki będą się swobodnie unosić. Przewidujemy, że kiedy sedymentacja i siły wyporu nie będą działać, uzyskamy bardziej równomierną strukturę i jednolite właściwości. Dla przykładu, produkt końcowy może bardziej równomiernie izolować ciepło na całym swoim obszarze. Ponadto nasz aerożel mógłby służyć jako elektroda o regularniejszej gęstości prądu z wyeliminowanymi gorącymi punktami (hot spotami). Oczekujemy, że baterie wykonane z takiego kosmicznego materiału będą bardziej niezawodne. Zwykłe elektrody metalowe ulegają pęcznieniu podczas cykli ładowania-rozładowania, przez co pękają i się łamią. Gąbczasty aerożel grafenowy redukuje liczbę takich potencjalnych pęknięć.
Teraz, gdy otrzymaliśmy już nasz ładunek z kosmosu, przyjrzymy się strukturze wytworzonego przez nas aerożelu. Zmierzymy jego właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne i porównamy je z właściwościami aerożeli wykonanych na Ziemi. Dla przykładu, ciekawi mnie, czy w strukturze mikrofizycznej powstałego w przestrzeni kosmicznej aerożelu pojawią się interesujące kształty. Kiedy patrzę na konwencjonalny aerożel grafenowy powiększony za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, jego struktura wygląda na bardzo porowatą i poskręcaną, a arkusze są ze sobą losowo połączone. Zastanawiam się, czy w próbce wykonanej w warunkach mikrograwitacji zobaczymy strukturę bardziej regularną, coś bardziej powtarzalnego.
Jeżeli wytwarzane w kosmosie aerożele rzeczywiście rosną równomierniej i działają lepiej niż ich naziemne odpowiedniki, mogą być budulcem czujników, baterii i izolacji termicznej dla przyszłych statków kosmicznych.
Nasz eksperyment na MSK to dopiero początek. Mamy nadzieję, że pomoże on pokazać, iż w warunkach mikrograwitacji możemy wytwarzać materiały najwyższej jakości. Kolejnym krokiem będzie wyhodowanie większej liczby rodzajów materiałów, których synteza na Ziemi jest trudna lub nawet niemożliwa. Nasz najnowszy program badawczy jest skoncentrowany na hodowli kryształów metaloorganicznych w warunkach przedłużonej mikrograwitacji. Oprócz odkrywania nowych materiałów, będziemy również musieli poszerzyć zakres naszych eksperymentów i zintegrować wytwarzane przez nas materiały z rzeczywistymi produktami, które będą wykorzystywane na Ziemi. Średnica pojemnika, który wysłaliśmy na stację kosmiczną, wynosi zaledwie pięć milimetrów. Jeśli chcemy produkować większe materiały do celów praktycznych, będziemy musieli w końcu przenieść się poza MSK na stację specjalnie przeznaczoną do produkcji, taką jak jedna z komercyjnych stacji kosmicznych, których wystrzelenie planuje się na koniec lat 20.
Dziwię się, że nie ma zbyt wielu ludzi, którzy byliby zainteresowani tym potencjałem. Producenci półprzewodników powinni zacząć poważnie rozważać masową produkcję swoich wyrobów w kosmosie. Obecnie muszą wyrzucać mnóstwo wadliwych materiałów. Nie mając takich strat, byliby w stanie pokryć koszty budowy fabryk na orbicie. Moglibyśmy rozpocząć masową produkcję półprzewodników o większej wydajności, niezawodności i skalowalności niż na Ziemi.
Wraz z rozwojem komercyjnego przemysłu kosmicznego będziemy świadkami częstszych misji i większej aktywności ludzi na orbicie. Przemysł powinien planować wykorzystanie tych możliwości. Fabryki w kosmosie mogą brzmieć jak science fiction, ale uważam, że powinny stać codziennością. Cieszę się, że prace prowadzone w moim laboratorium pomogą zrealizować to marzenie.