एक नया मिश्र धातु एक्सोप्लैनेट खोज के लिए आवश्यक अल्ट्रा-स्थिर संरचनाओं को सक्षम कर रहा है

एक अद्वितीय नई सामग्री जो गर्म होने पर सिकुड़ जाती है और फैल जाती है जब इसे ठंडा किया जाता है, तो यह अल्ट्रा-स्थिर अंतरिक्ष दूरबीनों को सक्षम करने में मदद कर सकता है जो भविष्य के नासा मिशनों को रहने योग्य दुनिया की खोज करने की आवश्यकता होती है।

नासा के एस्ट्रोफिजिक्स डिवीजन के लक्ष्यों में से एक यह निर्धारित करना है कि हम ब्रह्मांड में अकेले हैं या नहीं। नासा के एस्ट्रोफिजिक्स मिशन हमारे सौर मंडल (एक्सोप्लैनेट्स) से परे ग्रहों की पहचान करके इस प्रश्न का उत्तर देना चाहते हैं जो जीवन का समर्थन कर सकते हैं। पिछले दो दशकों में, वैज्ञानिकों ने उन्नत दूरबीनों के माध्यम से सितारों को बारीकी से अवलोकन करके एक्सोप्लैनेट्स पर वायुमंडल का पता लगाने के तरीके विकसित किए हैं। जैसा कि प्रकाश किसी ग्रह के वातावरण से होकर गुजरता है या किसी ग्रह की सतह से परिलक्षित या उत्सर्जित होता है, दूरबीन प्रकाश की तीव्रता और स्पेक्ट्रा (यानी, “रंग”) को माप सकते हैं, और ग्रहों के वातावरण में गैसों के कारण प्रकाश में विभिन्न बदलावों का पता लगा सकते हैं। इन पैटर्न का विश्लेषण करके, वैज्ञानिक एक्सोप्लैनेट के वातावरण में गेस के प्रकारों को निर्धारित कर सकते हैं।

इन शिफ्टों को डिकोड करना कोई आसान काम नहीं है क्योंकि जब हम उनका निरीक्षण करते हैं तो एक्सोप्लैनेट उनके मेजबान सितारों के पास दिखाई देते हैं, और स्टारलाइट पृथ्वी के आकार के एक्सोप्लैनेट से प्रकाश की तुलना में एक अरब गुना उज्ज्वल है। रहने योग्य एक्सोप्लैनेट्स का सफलतापूर्वक पता लगाने के लिए, नासा के भविष्य के रहने योग्य दुनिया ऑब्जर्वेटरी को एक से एक अरब (1: 1,000,000,000) के विपरीत अनुपात की आवश्यकता होगी।

इस चरम विपरीत अनुपात को प्राप्त करने के लिए एक दूरबीन की आवश्यकता होगी जो नासा के जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप और इसके आगामी नैन्सी ग्रेस रोमन स्पेस टेलीस्कोप जैसे अत्याधुनिक अंतरिक्ष-आधारित वेधशालाओं की तुलना में 1,000 गुना अधिक स्थिर है। नए सेंसर, सिस्टम आर्किटेक्चर, और सामग्री को एकीकृत किया जाना चाहिए और भविष्य के मिशन की सफलता के लिए कॉन्सर्ट में काम करना चाहिए। कंपनी ऑलवर की एक टीम नासा के मार्शल स्पेस फ्लाइट सेंटर और नासा के जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाला के साथ सहयोग कर रही है, यह प्रदर्शित करने के लिए कि कैसे अद्वितीय नकारात्मक थर्मल विस्तार विशेषताओं के साथ एक नई सामग्री का एकीकरण अल्ट्रा-स्थिर टेलीस्कोप संरचनाओं को सक्षम करने में मदद कर सकता है।

सामग्री स्थिरता हमेशा खगोलीय घटनाओं को देखने के लिए एक सीमित कारक रही है। दशकों से, वैज्ञानिक और इंजीनियर माइक्रो-क्रेप, थर्मल विस्तार और नमी के विस्तार जैसी चुनौतियों को दूर करने के लिए काम कर रहे हैं जो दूरबीन स्थिरता को प्रभावित करते हैं। टेलिस्कोप मिरर और स्ट्रट्स के लिए वर्तमान में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों ने वेब और रोमन जैसे महान वेधशालाओं की आयामी स्थिरता में काफी सुधार किया है, लेकिन जैसा कि संकेत दिया गया है खगोल विज्ञान और खगोल भौतिकी 2020 पर Decadal सर्वेक्षण विज्ञान, इंजीनियरिंग और चिकित्सा के राष्ट्रीय अकादमियों द्वारा विकसित, वे अभी भी कई घंटों में 10 पिकोमीटर स्तर की स्थिरता से कम हो जाते हैं जो कि रहने योग्य दुनिया के वेधशाला के लिए आवश्यक होंगे। परिप्रेक्ष्य के लिए, 10 picometers लगभग 1/10 है^वां एक परमाणु का व्यास।

_{नासा की नैन्सी ग्रेस रोमन स्पेस टेलीस्कोप सपोर्ट स्ट्रक्चर और इंस्ट्रूमेंट पेलोड के ऊपर बैठती है। दूरबीन के द्वितीयक दर्पण को रखने वाले लंबे काले स्ट्रट्स वेव फ्रंट त्रुटि का लगभग 30% योगदान करेंगे, जबकि प्राथमिक दर्पण के नीचे बड़ी समर्थन संरचना एक और 30% का योगदान देगी।}

_{क्रेडिट: नासा/क्रिस गन}

नासा और अन्य स्रोतों से फंडिंग ने इस सामग्री को प्रयोगशाला से वाणिज्यिक पैमाने पर संक्रमण के लिए सक्षम किया है। ऑलवर ने नासा स्मॉल बिज़नेस इनोवेटिव रिसर्च (SBIR) फंडिंग प्राप्त की और भविष्य के नासा मिशन जैसे रहने योग्य दुनिया के वेधशाला में संभावित उपयोग के लिए दूरबीन संरचना प्रदर्शनों में एक नई मिश्र धातु सामग्री को एकीकृत करने के लिए फंडिंग की। यह मिश्र धातु गर्म होने पर सिकुड़ जाती है और ठंडा होने पर फैलता है – एक संपत्ति जिसे नकारात्मक थर्मल विस्तार (एनटीई) के रूप में जाना जाता है। उदाहरण के लिए, ऑलवर मिश्र धातु 30 कमरे के तापमान पर थर्मल विस्तार (CTE) के एक -30 पीपीएम/° C गुणांक प्रदर्शित करता है। इसका मतलब यह है कि इस एनटीई मिश्र धातु का 1-मीटर लंबा टुकड़ा तापमान में प्रत्येक 1 ° C में वृद्धि के लिए 0.003 मिमी सिकुड़ जाएगा। तुलना के लिए, एल्यूमीनियम +23 पीपीएम/डिग्री सेल्सियस पर फैलता है।

_{जबकि अन्य सामग्रियों का विस्तार गर्म और ठंडा होने पर होता है, अल्लवर मिश्र धातु 30 एक नकारात्मक थर्मल विस्तार प्रदर्शित करता है, जो अन्य सामग्रियों के थर्मल विस्तार बेमेल के लिए क्षतिपूर्ति कर सकता है। थर्मल स्ट्रेन बनाम तापमान 6061 एल्यूमीनियम, A286 स्टेनलेस स्टील, टाइटेनियम 6AL-4V, Invar 36, और ऑलवर मिश्र धातु 30 के लिए दिखाया गया है।}

क्योंकि यह तब सिकुड़ जाता है जब अन्य सामग्रियों का विस्तार होता है, ऑलवर मिश्र धातु 30 का उपयोग रणनीतिक रूप से अन्य सामग्रियों के विस्तार और संकुचन के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए किया जा सकता है। मिश्र धातु की अद्वितीय एनटीई संपत्ति और नमी के विस्तार की कमी से ऑप्टिक डिजाइनरों को भविष्य की दूरबीन संरचनाओं की स्थिरता की आवश्यकताओं को दूर करने में सक्षम हो सकता है। गणना ने संकेत दिया है कि अल्लवर मिश्र धातु 30 को कुछ दूरबीन डिजाइनों में एकीकृत करने से केवल एल्यूमीनियम, टाइटेनियम, कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर (सीएफआरपीएस), और निकेल -आयरन मिश्र धातु, इनवेर जैसे पारंपरिक सामग्रियों का उपयोग करने की तुलना में 200 बार थर्मल स्थिरता में सुधार हो सकता है।

यह प्रदर्शित करने के लिए कि नकारात्मक थर्मल विस्तार मिश्र धातु अल्ट्रा-स्थिर संरचनाओं को सक्षम कर सकते हैं, ऑलवर टीम ने अल्ट्रा-कम थर्मल विस्तार गुणों के साथ व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ग्लास सिरेमिक सामग्री से बने दो दर्पणों को अलग करने के लिए एक हेक्सापोड संरचना विकसित की। Invar को Ti6Al4V से बने दर्पण और फ्लेक्सचर से बंधा हुआ था – एक टाइटेनियम मिश्र धातु जिसे आमतौर पर एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है – इनवेल से जुड़ा होता था। Invar और Ti6Al4V घटकों के सकारात्मक CTES की भरपाई करने के लिए, Ti6Al4V Flexures के बीच एक NTE ऑलवर मिश्र धातु 30 ट्यूब का उपयोग किया गया था, जो दो दर्पणों को अलग करने वाले स्ट्रट्स बनाने के लिए था। Invar और Ti6Al4V घटकों के प्राकृतिक सकारात्मक थर्मल विस्तार को NTE मिश्र धातु स्ट्रट्स के नकारात्मक थर्मल विस्तार से ऑफसेट किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक प्रभावी शून्य थर्मल विस्तार के साथ एक संरचना होती है।

संरचना की स्थिरता का मूल्यांकन फ्लोरिडा विश्वविद्यालय के उच्च ऊर्जा भौतिकी और खगोल भौतिकी के लिए किया गया था। हेक्सापोड संरचना ने 100 बजे/andHz लक्ष्य के नीचे स्थिरता का प्रदर्शन किया और 11 बजे/√hz प्राप्त किया। यह पहला पुनरावृत्ति भविष्य के रहने योग्य दुनिया ऑब्जर्वेटरी के लिए आवश्यक 10 बजे स्थिरता के करीब है। अगस्त 2021 सोसाइटी ऑफ फोटो-ऑप्टिकल इंस्ट्रूमेंटेशन इंजीनियर्स कॉन्फ्रेंस में एक पेपर और प्रस्तुति इस विश्लेषण के बारे में विवरण प्रदान करती है।

इसके अलावा, नासा मार्शल द्वारा संचालित परीक्षणों की एक श्रृंखला से पता चला है कि अल्ट्रा-स्थिर स्ट्रट्स एक निकट-शून्य थर्मल विस्तार को प्राप्त करने में सक्षम थे जो उपरोक्त विश्लेषण में दर्पण से मेल खाते थे। यह परिणाम 28K तापमान परिवर्तन में दर्पण के आकार में 5 एनएम रूट माध्य वर्ग (आरएमएस) परिवर्तन से कम में अनुवाद करता है।

अल्ट्रा-स्थिर संरचनाओं से परे, एनटीई मिश्र धातु प्रौद्योगिकी ने बढ़ी हुई निष्क्रिय थर्मल स्विच प्रदर्शन को सक्षम किया है और इसका उपयोग बोल्ट जोड़ों और अवरक्त प्रकाशिकी पर तापमान परिवर्तनों के हानिकारक प्रभावों को दूर करने के लिए किया गया है। ये एप्लिकेशन नासा मिशनों में उपयोग की जाने वाली प्रौद्योगिकियों को प्रभावित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, इन नए मिश्र धातुओं को रोमन के कोरोनग्राफ प्रौद्योगिकी प्रदर्शन के क्रायोजेनिक उप-असेंबली में एकीकृत किया गया है। एनटीई वाशर के अलावा ने अधिक कुशल गर्मी हस्तांतरण के लिए पायरोलाइटिक ग्रेफाइट थर्मल पट्टियों के उपयोग को सक्षम किया। ऑलवर मिश्र धातु 30 का उपयोग एक उच्च-प्रदर्शन निष्क्रिय थर्मल स्विच में भी किया जा रहा है। चंद्र सतह इलेक्ट्रोमैग्नेटिक्स प्रयोग-रात (Lusee रात) जुगनू एयरोस्पेस के ब्लू घोस्ट मिशन 2 पर सवार परियोजना, जो नासा के सीएलपी (वाणिज्यिक चंद्र पेलोड सेवा) पहल के माध्यम से चंद्रमा को दिया जाएगा। एनटीई मिश्र धातुओं ने लूसी नाइट के लिए छोटे थर्मल स्विच आकार और अधिक से अधिक गर्मी चालन अनुपात को सक्षम किया।

एक अन्य हालिया नासा SBIR प्रयास के माध्यम से, ऑलवर टीम ने नासा की जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी के साथ काम किया, ताकि ऑलवर मिश्र धातु 30 सामग्री गुणों के विस्तृत डेटासेट विकसित हो सकें। इन बड़े डेटासेट में सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण भौतिक गुण शामिल हैं जैसे कि शक्ति, लोचदार मापांक, थकान और थर्मल चालकता। टीम ने माइक्रो-क्रेप और माइक्रो-यील्ड जैसे कम सामान्य गुणों के बारे में भी जानकारी एकत्र की। इन गुणों की विशेषता के साथ, ऑलवर मिश्र धातु 30 ने अंतरिक्ष-सामग्री योग्यता की ओर एक बड़ी बाधा को मंजूरी दे दी है।

इस नासा-वित्त पोषित काम के एक स्पिनऑफ के रूप में, टीम ट्यून करने योग्य थर्मल विस्तार गुणों के साथ एक नया मिश्र धातु विकसित कर रही है जो अन्य सामग्रियों से मेल खा सकती है या यहां तक ​​कि शून्य सीटीई भी प्राप्त कर सकती है। थर्मल विस्तार बेमेल आयामी स्थिरता और बल-लोड मुद्दों का कारण बनता है जो परमाणु इंजीनियरिंग, क्वांटम कंप्यूटिंग, एयरोस्पेस और रक्षा, प्रकाशिकी, मौलिक भौतिकी और चिकित्सा इमेजिंग जैसे क्षेत्रों को प्रभावित कर सकते हैं। इस नई सामग्री के लिए संभावित उपयोग संभवतः खगोल विज्ञान से परे विस्तारित होंगे। उदाहरण के लिए, ऑलवर विकसित वाशर और स्पेसर्स, अब व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं जो अंतरिक्ष और स्थलीय वातावरण दोनों में चरम तापमान सीमाओं में लगातार प्रीलोड बनाए रखने के लिए उपलब्ध हैं। ये वाशर और स्पैसर अन्य सामग्रियों के थर्मल विस्तार और संकुचन का मुकाबला करते हुए, अनुप्रयोगों की मांग के लिए स्थिरता सुनिश्चित करते हैं।

अतिरिक्त विवरण के लिए, देखें नासा टेकपोर्ट पर इस परियोजना के लिए प्रवेश।

प्रोजेक्ट लीड: डॉ। जेम्स ए। मुनरो, अल्लवर

निम्नलिखित नासा संगठनों ने इस प्रयास को प्रायोजित किया: नासा एस्ट्रोफिजिक्स डिवीजन, नासा एसबीआईआर कार्यक्रम अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी मिशन निदेशालय (एसटीएमडी) द्वारा वित्त पोषित।