Was sind die langfristigen Auswirkungen der Weltraumverwitterung auf künstliche Materialien?

Es gibt vier (ish) Hauptbeiträge zur "Weltraumverwitterung" von Materialien (natürlich oder synthetisch) im Weltraum:

1. Mikrometeoroiden- und Trümmerumgebung: Dies ist das Ergebnis von kleinen Gegenständen, die auf das betreffende Material treffen. Bei möglichen Kollisionsgeschwindigkeiten von bis zu 14 km/s (bei Trümmern, viel höher bei Mikrometeoroiden) wird alles zur Kugel. Das klassische Beispiel ist das narbige Space-Shuttle-Fenster . Natürlich führt ein größerer Aufprall zur ultimativen "Verwitterung"

2. Ausgasen : Auch als „ Neuwagengeruch “ bekannt. Jedes Objekt in einem Vakuum neigt dazu, flüchtige Stoffe auszugasen. Ihr Auto gast aus einigen seiner Materialien/Bindemittel/Klebstoffe aus, was zu dem unverwechselbaren Geruch führt. Dies ist einer der Gründe, warum bestimmte Materialien in Raumfahrzeugen verpönt sind. Manche Kunststoffe/Schaumstoffe entgasen sich ins Nichts. Andere werden nur spröde oder bröckelig. Neben der potenziellen Beschädigung des ausgasenden Materials aufgrund von Massenverlust neigen ausgasende Partikel dazu, sich auf nahe gelegenen kalten Oberflächen abzulagern – wie Linsen und Solarzellen-Deckgläsern.

   Infolgedessen werden Materialien, die beim Design von Raumfahrzeugen verwendet werden, mit minimalem Ausgasen als wesentliches Kriterium ausgewählt. Ein Material, über das Raumfahrzeugingenieure oft sprechen, ist Kapton Tape – das Klebeband der Raketenwissenschaftler. Kapton ist (neben anderen Eigenschaften) im Vakuum besonders stabil und wird daher in großem Umfang verwendet.

3. Atomarer Sauerstoff : Im oberen Bereich der Atmosphäre, etwa zwischen 150 und 700 km, zerfallen Sauerstoffmoleküle (O2) in einzelne Sauerstoffatome (O). Diese Atome sind sehr reaktiv und binden (oxidieren) gerne an viele andere Substanzen. Dies kann zu Erosion von Oberflächen, Verdunkelung von Optiken usw. führen.

4. Strahlung (EM und Partikel): Strahlung aller Art kann auch Materialien beeinflussen. Polymere sind wiederum besonders anfällig. die Ergebnisse können zwischen sich verändernden optischen Eigenschaften (z. B. Verdunkelung) und strukturellen Veränderungen variieren. UV-Licht beispielsweise kann Kunststoffe langsam zersetzen. Haben Sie jemals einen Autositz gesehen, bei dem die Sonneneinstrahlung das Vinyl letztendlich bröckelig und eklig gemacht hat? Einige CubeSats haben dies tatsächlich ausgenutzt. Die Antennen werden vor dem Einsatz durch eine Angelschnur an Ort und Stelle gehalten. Normalerweise wird die Angelschnur geschmolzen, damit sich die Antennen entfalten können. Wenn das Schmelzen nicht funktioniert, ist eine Sicherung abzuwarten, bis das UV-Licht die Angelschnur so weit verschlechtert, dass sie reißt .

Es überrascht nicht, dass die NASA viele Experimente durchgeführt hat, um die Auswirkungen der Weltraumumgebung auf Materialien zu untersuchen. Eines der frühesten war das Pegasus-Programm, bei dem sehr große Paneele aus dem Servicemodul (SM)-Ersatz von Saturn-I-Testraketen eingesetzt wurden. Die Panels waren instrumentiert (mit einem Mikrofon), das die Einschläge von Mikrometeoroiden zählte. Jahre später flog die NASA die Long Duration Exposure Facility ( LDEF ), einen busgroßen Satelliten, der vollständig in Außenverkleidungen mit verschiedenen zu testenden Materialien gehüllt war.

In jüngerer Zeit hat die NASA mehrere Nutzlasten des Materials Integration Space Station Experiment ( MISSE ) zur Raumstation geflogen. Sie können die Auswirkungen von Atomic Oxygen auf die Mission MISSE-2 in diesem unglaublichen Bild sehen:

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Die Long Duration Exposure Facility (LDEF) war ein von Shuttles gestarteter und zurückgeholter Satellit, der genau dies untersuchen sollte.

Hier ist die LDEF im Weltraum.

Es war mit Schalen aus verschiedenen Materialien bedeckt, um zu untersuchen, wie sie sich im erdnahen Orbit behaupteten.

Es sollte ungefähr ein Jahr im Orbit bleiben, aber der Challenger-Ausfall trat dazwischen, was dazu führte, dass es ~ 6 Jahre lang in der Umlaufbahn blieb.

Quelle

1993 fand eine Konferenz mit dem Titel „LDEF Materials Results for Spacecraft Applications“ statt, die Protokolle sind online verfügbar und eine Goldgrube an Informationen über die Ergebnisse der Experimente.

Tagungsband

Hier ist ein Beispiel aus dem Papier, das zeigt, wie atomarer Sauerstoff die Kapton-Mehrschichtisolierung erodierte.

Dieses Bild stammt von der LDEF-Wiederherstellungsmission, Sie können einige der Effekte sehen (Abschälen von Schichten am unteren Ende des Satelliten usw.).