Uso de la tela para «escuchar» el polvo espacial: tela inteligente para detectores de polvo cósmico y pieles inteligentes de trajes espaciales

Por

Un equipo de investigadores del MIT ha enviado un panel de muestras de tejidos inteligentes pasivos a la Estación Espacial Internacional durante un año para ayudar a determinar qué tan bien estos tejidos sobreviven a la órbita terrestre baja. Crédito: Cortesía de Space BD / JAXA y editado por MIT News

Se enviaron muestras de tela a la Estación Espacial Internacional para realizar pruebas de resistencia; Las posibles aplicaciones incluyen detectores de polvo cósmico o pieles inteligentes para trajes espaciales.

El mes pasado un equipo de MIT los investigadores enviaron muestras de varios tejidos de alta tecnología, algunos con sensores integrados o electrónica, a la Estación Espacial Internacional. Las muestras (sin energía por ahora) estarán expuestas al entorno espacial durante un año para determinar una línea de base de qué tan bien estos materiales sobreviven al duro entorno de la órbita terrestre baja.

La esperanza es que este trabajo pueda conducir a mantas térmicas para naves espaciales, que podrían actuar como detectores sensibles para impactos de micrometeoroides y desechos espaciales. En última instancia, otro objetivo son las nuevas telas inteligentes que permitan a los astronautas sentir el tacto a través de sus trajes presurizados.

Tres miembros del equipo multidisciplinario del MIT, las estudiantes de posgrado Juliana Cherston del Media Lab y Yuchen Sun del Departamento de Química, y el postdoctorado Wei Yan del Laboratorio de Investigación de Electrónica y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, discutieron los ambiciosos objetivos del experimento con Noticias del MIT.

Q: ¿Puede describir las muestras de tela que envió a la Estación Espacial Internacional y qué tipo de información espera obtener de ellas después de su exposición en el espacio?

Cherston: El color blanco de la Estación Espacial Internacional es en realidad un material de tela protectora llamado tela Beta, que es una fibra de vidrio impregnada de teflón diseñada para proteger las naves espaciales y los trajes espaciales de los elementos duros de la órbita terrestre baja. Durante décadas, estas telas se han mantenido eléctricamente pasivas, a pesar de ofrecer propiedades inmobiliarias de gran superficie en el exterior de los activos espaciales.

Imaginamos convertir la piel de esta nave espacial en un enorme sensor de impacto de micrometeoritos y desechos espaciales. Las muestras con las que trabajamos JAXA, la agencia espacial japonesa y Space BD para enviar a la Estación Espacial Internacional incorporan materiales como piel sintética sensible a la carga, un concepto temprano, y sensores de fibra sensibles a las vibraciones, el enfoque de nuestro proyecto, en telas resistentes al espacio. El tejido resultante puede ser útil para detectar polvo cósmico de interés científico y para detectar daños en naves espaciales.

Es fácil suponer que, dado que ya estamos enviando estos materiales al espacio, la tecnología debe ser muy madura. En realidad, estamos aprovechando el entorno espacial para complementar nuestros importantes esfuerzos de pruebas en tierra. Todos estos sensores de tela permanecerán sin alimentación para esta primera prueba en el espacio, y la colcha de muestras ocupa un área total de 10 por 10 centímetros en las paredes exteriores de la estación.

Nuestro objetivo es establecer una base de referencia para su resistencia al entorno espacial. En un año, estas muestras regresarán a la Tierra para su análisis posterior al vuelo. Podremos medir cualquier erosión del oxígeno atómico, decoloración de la radiación ultravioleta y cualquier cambio en el rendimiento del sensor de fibra después de un año de ciclos térmicos. Existe la posibilidad de que también encontremos indicios de micrometeoroides a escala micrométrica. También nos estamos preparando para una implementación eléctrica actualmente programada para fines de 2021 o principios de 2022 (recientemente otorgada al proyecto por el ISS National Lab). En ese punto, aplicaremos una capa protectora adicional a las fibras y las operaremos en el espacio.

Yan: Las muestras de tejido contienen fibras «acústicas» estiradas térmicamente desarrolladas con financiación ISN que son capaces de convertir la energía de vibración mecánica en energía eléctrica (a través del efecto piezoeléctrico). Cuando los micrometeoroides o los desechos espaciales golpean la tela, la tela vibra y la fibra «acústica» genera una señal eléctrica. Las fibras multimateriales estiradas térmicamente han sido desarrolladas por nuestro grupo de investigación en el MIT durante más de 20 años; lo que hace que estas fibras acústicas sean especiales es su exquisita sensibilidad a las vibraciones mecánicas. Se ha demostrado que la tela en instalaciones terrestres detecta y mide el impacto independientemente de dónde el polvo espacial haya impactado la superficie de la tela.

Q: ¿Cuál es el objetivo final del proyecto? ¿Qué tipo de usos prevé para los tejidos avanzados en el entorno espacial?

Cherston: Estoy particularmente interesado en demostrar que la instrumentación útil para la investigación científica fundamental se puede incorporar directamente en la piel de la tela de las naves espaciales persistentes, que hasta la fecha no se utilizan y son bienes inmuebles muy valiosos. En particular, estoy comenzando a evaluar si estas pieles son lo suficientemente sensibles como para detectar el polvo cósmico producido en explosiones de supernovas de un millón de años a decenas o cientos de años luz de la Tierra. Apenas el año pasado, se descubrió una firma isotópica para este tipo de polvo interestelar en la nieve fresca de la Antártida, por lo que creemos que parte de este polvo todavía está zumbando alrededor del sistema solar, dando pistas sobre la dinámica de las explosiones de supernovas. La caracterización in situ de su distribución y cinemática es actualmente mi objetivo científico más ambicioso.

En términos más generales, me encantaría ver que las fibras y tejidos avanzados aborden otras cuestiones de interés físico fundamental en el espacio, tal vez aprovechando las fibras ópticas o los materiales sensibles a la radiación para crear sensores de gran apertura.

Algunos estudiantes de mi grupo también han desarrollado un prototipo conceptual en el que los datos sensoriales de la piel exterior de un brazalete de traje espacial presurizado se asignan a los actuadores hápticos de la piel biológica del usuario. ¡Con este sistema, los astronautas podrán sentir la textura y el tacto a través de sus trajes espaciales! Esta experiencia directa de un nuevo entorno es fundamental para el impulso de exploración de la humanidad.

También se puede utilizar una piel sensible a los impactos para la detección de daños en naves espaciales persistentes. En la práctica, la capacidad de la estructura para localizar el daño de los desechos espaciales y los micrometeoroides es la forma en que realmente venderemos el concepto a los ingenieros aeroespaciales.

Yan: Aunque la era espacial comenzó hace 63 años cuando el Sputnik 1 de la Unión Soviética se lanzó a una órbita terrestre baja elíptica, quedan muchas preguntas sin respuesta sobre el efecto del entorno espacial en los humanos, así como la seguridad de los astronautas mientras operan en el entorno espacial. . Si bien el enfoque principal de nuestro proyecto ha sido aumentar las telas utilizadas en el exterior de las naves espaciales, también imagino que los futuros trajes espaciales serán eléctricamente activos y altamente multifuncionales.

Los textiles enterrados dentro del traje podrán monitorear el estado de salud de los astronautas en tiempo real interrogando señales fisiológicas en áreas extensas. Las telas también pueden servir como sistemas de calefacción y refrigeración localizados, dosímetros de radiación e infraestructura de comunicaciones eficiente (a través de la óptica y la acústica de las telas). Pueden recolectar energía solar, así como pequeñas cantidades de energía de la vibración, y almacenar esta energía en baterías de fibra o supercondensadores, lo que permitiría que el sistema se autoalimentara. Las telas podrían incluso servir como parte de un exoesqueleto que ayuda a los astronautas a maniobrar en los cuerpos planetarios y en microgravedad. Una visión amplia en juego es empaquetar una enorme cantidad de funciones en textiles resistentes al espacio, creando un análogo de la «ley de Moore» para las telas espaciales.

Además de esto, necesita saber más al respecto.Q: ¿Qué le hizo interesarse en este tema y cómo ha sido para usted esta experiencia al preparar los materiales para enviarlos al espacio?

Yan: El espacio es definitivamente una nueva frontera para nuestra investigación, mientras que se han previsto muchas aplicaciones terrestres en condiciones ambientales e incluso bajo el agua. Desde la órbita terrestre baja hasta los cuerpos planetarios, el espacio es un entorno único con oxígeno atómico, radiación, impactadores de alta velocidad y ciclos de temperaturas extremas. ¿Cómo se comportarán las fibras y los tejidos allí y qué cambios se inducirán en los materiales de las fibras? ¿Cómo deben diseñarse los tejidos electrónicos para satisfacer las demandas de las aplicaciones aeroespaciales? Hay tantas cuestiones científicas y tecnológicas.

Dom: Nuestro grupo [with professor of chemistry Keith Nelson] se esfuerza por superar los límites de lo que se puede lograr experimentalmente para las pruebas de impacto, y siempre estamos entusiasmados con un nuevo desafío. Recientemente, nos hemos aventurado en el área de la mecánica de alta velocidad, probando materiales novedosos que abarcan polímeros, películas delgadas y materiales de nanoarquitectura utilizando una instalación de acelerador láser diseñada por nuestro laboratorio para impactar partículas diminutas en superficies objetivo a velocidades superiores a 1 kilómetro por segundo. .

Cuando surgió la idea de probar un material capaz de detectar firmas de impacto en la órbita terrestre baja y más allá, hubo un interés inmediato de nuestro lado, ya que es fundamentalmente diferente de nuestro enfoque de investigación anterior. Estos experimentos son ciertamente más difíciles y complejos de lo que estamos acostumbrados, con muchas más partes activas que mantener. Creo que todos nos sorprendimos gratamente cuando nuestros experimentos preliminares de impacto fueron exitosos y alentadores.

Cherston: Si bien los lanzamientos espaciales son emocionantes, en realidad algunos de nuestros datos más convincentes hasta la fecha provienen de pruebas de impacto en tierra. Inicialmente, no era del todo obvio que un sensor de tela con elementos de detección escasamente integrados pudiera detectar partículas tan pequeñas y rápidas. Hubo unos minutos realmente geniales en nuestra primera campaña de pruebas de impacto durante la cual Yuchen incrementó gradualmente la cantidad de partículas aceleradas en nuestro sensor, mientras mantenía constantes todos los demás aspectos del experimento. La creciente señal fue una clara indicación de que estábamos viendo una verdadera firma de impacto.

A nivel personal, estoy realmente fascinado con la idea de aprovechar una tecnología muy poco convencional como la tela para cuestiones de importancia científica. ¡Y creo que la idea de sentirse bien a través de un traje espacial presurizado es una delicia!

Referencia: “Máscaras electrónicas de área grande en el espacio: visión y caracterización previa al vuelo para el primer textil electrónico piezoeléctrico aeroespacial” por Juliana Cherston, David Veysset, Yuchen Sun, Hajime Yano, Keith A. Nelson, Shobha Murari y Joseph A. Paradiso, 23 Abril de 2020, Proc. SPIE 11379, Tecnologías de sensores y estructuras inteligentes para sistemas civiles, mecánicos y aeroespaciales 2020, 113791Q.
DOI: 10.1117 / 12.2557942