Stanford und UC Berkeley arbeiten gemeinsam an Untersuchungen zur Herstellung überlegenen Graphen-Aerogels im Weltraum

Der NASA-Astronaut Woody Hoburg arbeitet an einem Experiment der Stanford University, das darauf abzielt, Graphen-Aerogel im Weltraum zu synthetisieren.

Mediennachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA

24. August 2023

WALLOPS FLIGHT FACILITY (VA), 24. August 2023 – Graphen-Aerogel ist ein bemerkenswert leichtes Material, das sowohl thermisch isolierend als auch elektrisch leitend ist. Dies macht den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen attraktiv – von der verbesserten Energiespeicherung in Batterien über bessere Methoden zur Beseitigung von Ölverschmutzungen bis hin zu Raumanzügen der nächsten Generation. Ein Forscherteam der Stanford University und der University of California, Berkeley nutzt das National Laboratory der Internationalen Raumstation (ISS), um Graphen-Aerogel von höherer Qualität herzustellen, als es auf der Erde möglich ist.

Diese Woche haben die Crew-6-Astronauten an Bord der Raumstation die Arbeit an der Untersuchung des Teams abgeschlossen, die von der US National Science Foundation (NSF) finanziert wurde. Die Ergebnisse könnten neue Einblicke in die zugrunde liegende Physik der Graphen-Aerogel-Synthese liefern und zur Entwicklung neuartiger Materialprodukte führen.

„Durch die Mikrogravitationsumgebung der Raumstation können wir einen völlig neuen Bereich der Materialwissenschaft erschließen, zu dem wir bisher keinen Zugang hatten“, sagte Jessica Frick, Forschungsingenieurin an der Stanford.

Frick ist Teil des Extreme Environment Microsystems Laboratory (XLab) der Stanford University. Das XLab wurde von Debbie Senesky, einer außerordentlichen Professorin für Luft- und Raumfahrt an der Stanford University, konzipiert und konzentriert sich auf die Herstellung winziger, aber robuster Elektronik, die in extremen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden kann. Für ihre Untersuchungen zur Raumstation arbeiten Frick und Senesky mit einer Forschungsgruppe der UC Berkeley unter der Leitung von Roya Maboudian, einer Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik, zusammen. Das Team möchte die Natur von Graphen-Aerogel besser verstehen und erfahren, wie sich die Mikrogravitation auf seine Eigenschaften auswirkt.

Die Untersuchung, die den ersten Schritt der Graphen-Aerogel-Synthese in der Mikrogravitation durchführen wird, wurde auf Northrop Grummans 19. Commercial Resupply Services-Mission (NG-19) gestartet. Die Ergebnisse könnten Auswirkungen auf die künftige Fertigung im Weltraum sowie auf Weltraummissionen haben.

Ziel dieser Untersuchung ist es, Proben von Graphen-Aerogel herzustellen, die der hier gezeigten Probe ähneln.

Mediennachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung von Jessica Frick, Stanford University

Die Herstellung von Graphen-Aerogel ist ein zweistufiger Prozess. Der erste Schritt ähnelt der Herstellung von Wackelpudding. Das Forschungsteam kombinierte Graphenoxidflocken in einer wässrigen Lösung, so wie man Gelatinepulver und heißes Wasser für Jell-O kombinieren würde. Die Proben der Graphenoxidlösung wurden dann zur Raumstation geschickt. Anfang dieser Woche haben Besatzungsmitglieder die Proben in einen Ofen geladen, wo die Lösung erhitzt wird, um Graphen-Hydrogel zu bilden. Dieser Vorgang dauert einige Stunden und sobald das Hydrogel gebildet ist, bereiten die Astronauten die Proben für die Rückkehr zur Erde vor.

Wenn die Proben wieder im Labor sind, führt das Team den zweiten Schritt des Prozesses durch, bei dem die Flüssigkeit entfernt wird und nur Luft in Form von Graphen-Aerogel zurückbleibt. Anschließend untersucht das Team die Eigenschaften des Aerogels und vergleicht seine Erkenntnisse mit terrestrisch hergestelltem Graphen-Aerogel.

Der erste Schritt des Prozesses sei der wichtigste, sagt Frick. Auf der Erde kann die Schwerkraft die Graphenflocken ungleichmäßig nach unten ziehen, was zu Rissen im Hydrogel führen kann. Dies könnte die Qualität des hergestellten Aerogels beeinträchtigen und dazu führen, dass es weniger elektrisch leitfähig ist oder eine geringere Absorptionsrate aufweist.

„Was wir von dem im Weltraum produzierten Graphen-Hydrogel erwarten, ist eine Verringerung der Auswirkungen der Sedimentation, die wir hier auf der Erde sehen“, sagte Senesky. Das aus dem Hydrogel hergestellte Graphen-Aerogel wird nur wenige Millimeter groß sein. Wenn das Team jedoch nachweisen kann, dass das Aerogel von höherer Qualität ist als seine terrestrischen Gegenstücke, könnte die Produktion ausgeweitet werden, um größere Graphen-Aerogele herzustellen.

Laut Senesky haben Aerogele viele bemerkenswerte Eigenschaften, die sie zu einem idealen Material für eine Vielzahl von Anwendungen machen. Sie sind extrem porös und daher gut für die Filtration geeignet. Beispielsweise nutzte die NASA bei ihrer Stardust-Mission ein Aerogel auf Kieselsäurebasis, um feine Staubpartikel von einem Kometen einzufangen. Silica-Aerogele wurden auch als Isolierung auf den Mars-Rovern der NASA und in Oberbekleidung hier auf der Erde verwendet.

Da Graphen auch elektrisch leitfähig ist, hoffen die Forscher, dass Graphen-Aerogel zur Energiespeicherung in Batterien und Superkondensatoren verwendet werden kann. Darüber hinaus ist Graphen-Aerogel ein vielversprechender Wärmeisolator, der in der Hitzeschildtechnologie eingesetzt oder in Stoffe für Luft- und Raumfahrtanwendungen eingebettet werden könnte. Es könnte auch als chemischer Sensor oder sogar zur Absorption bestimmter chemischer Bestandteile verwendet werden, was für Anwendungen wie die Beseitigung von Ölverschmutzungen von Vorteil sein könnte.

„Graphen-Aerogel ist saugfähig wie ein Schwamm“, sagte Maboudian. „Das bedeutet, dass es zum Aufsaugen von Materialien verwendet werden könnte, die ein Vielfaches seines Eigengewichts betragen, was es ermöglicht, es als Werkzeug zur Beseitigung verschütteter Chemikalien und zum Aufspüren schädlicher Chemikalien in der Umwelt einzusetzen.“

Die NG-19-Mission startete am 1. August um 20:31 Uhr EDT von der Wallops Flight Facility aus und umfasste mehr als 20 vom ISS National Lab gesponserte Nutzlasten. Um mehr über alle vom ISS National Lab gesponserten Forschungsarbeiten zu dieser Mission zu erfahren, besuchen Sie bitte unsere Startseite.

Laden Sie eine hohe Auflösung für diese Veröffentlichung herunter: NASA-Astronaut Woody Hoburg

Medienkontakt:Patrick O'[email protected]

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Über das Nationallabor der Internationalen Raumstation (ISS): Die Internationale Raumstation (ISS) ist ein einzigartiges Labor, das Forschung und Technologieentwicklung ermöglicht, die auf der Erde nicht möglich wäre. Als öffentliches Dienstleistungsunternehmen ermöglicht das ISS National Lab Forschern, diese Multiuser-Einrichtung zu nutzen, um das Leben auf der Erde zu verbessern, weltraumgestützte Geschäftsmodelle zu entwickeln, die wissenschaftliche Kompetenz künftiger Arbeitskräfte zu verbessern und einen nachhaltigen und skalierbaren Markt im erdnahen Orbit zu erweitern. Durch dieses umlaufende nationale Labor stehen Forschungsressourcen auf der ISS zur Verfügung, um Nicht-NASA-Wissenschafts-, Technologie- und Bildungsinitiativen von US-Regierungsbehörden, akademischen Institutionen und dem Privatsektor zu unterstützen. Das Center for the Advancement of Science in Space, Inc. (CASIS) verwaltet das ISS National Lab im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung mit der NASA und erleichtert den Zugang zu seiner permanenten Mikrogravitations-Forschungsumgebung, einem leistungsstarken Aussichtspunkt in der erdnahen Umlaufbahn sowie den extremen und vielfältigen Möglichkeiten Bedingungen des Raumes. Um mehr über das ISS National Lab zu erfahren, besuchen Sie unsere Website.

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