Vous pensez qu'il est important de garder votre café au chaud ? Essayez les satellites. Si la température d'un satellite n'est pas maintenue dans sa plage optimale, ses performances peuvent en souffrir, ce qui pourrait signifier qu'il pourrait être plus difficile de suivre les incendies de forêt ou d'autres catastrophes naturelles, vos cartes Google peuvent ne pas fonctionner et votre frénésie Netflix peut être interrompue. Cela pourrait être évité grâce à un nouveau matériau récemment développé par les ingénieurs de l'USC Viterbi School of Engineering.
Lorsque les satellites voyagent derrière la Terre, la Terre peut empêcher les rayons du soleil d'atteindre les satellites, les refroidissant. Dans l'espace, un satellite peut faire face à des variations de température extrêmes allant de 190 à 260 degrés Fahrenheit. C'est depuis longtemps un défi pour les ingénieurs d'empêcher les températures des satellites de fluctuer énormément. Les satellites ont classiquement utilisé l'un des deux mécanismes suivants :des « volets » physiques ou caloducs pour réguler la chaleur. Les deux solutions peuvent épuiser les réserves de puissance embarquées. Même avec l'énergie solaire, la sortie est limitée. Par ailleurs, les deux solutions ajoutent de la masse, poids et complexité de conception aux satellites, qui sont déjà assez chers à lancer.
S'inspirant des humains qui ont un système autonome pour gérer la température interne par l'homéostasie, une équipe de chercheurs dont Michelle L. Povinelli, professeur au département de génie électrique Ming Hsieh de l'USC Viterbi School of Engineering, et les étudiants de l'USC Viterbi Shao-Hua Wu et Mingkun Chen, avec Michael T. Barako, Vladan Jankovic, Philippe W.C. Hon et Luke A. Sweatlock de Northrop Grumman, développé un nouveau matériau pour réguler automatiquement la température du satellite. L'équipe d'ingénieurs experts en optique, photonique, et l'ingénierie thermique a développé une structure hybride de silicium et de dioxyde de vanadium avec une conception conique pour mieux contrôler le rayonnement du corps du satellite. C'est comme une peau texturée ou un revêtement.
Le dioxyde de vanadium fonctionne comme ce que l'on appelle un matériau à "changement de phase". Il agit de deux manières distinctes :comme isolant à basse température et conducteur à haute température. Cela affecte la façon dont il rayonne de la chaleur. À plus de 134 degrés Fahrenheit (330 degrés Kelvin), il rayonne le plus de chaleur possible pour refroidir le satellite. À environ deux degrés au-dessous de cela, le matériau coupe le rayonnement thermique pour réchauffer le satellite. La structure conique du matériau (presque comme une peau épineuse) est invisible à l'œil humain à environ moins de la moitié de l'épaisseur d'un seul cheveu humain, mais a pour objectif distinct d'aider le satellite à allumer et éteindre son rayonnement de manière très efficace.
Résultats
Le matériau hybride développé par USC et Northrop Grumman maintient vingt fois mieux la température que le silicium seul. Surtout, la régulation passive de la chaleur et de la température des satellites pourrait augmenter la durée de vie des satellites en réduisant la nécessité de dépenser de l'énergie à bord.
Applications sur Terre
Outre l'utilisation sur un satellite, le matériau pourrait également être utilisé sur Terre pour la gestion thermique. Il pourrait être appliqué à un bâtiment sur une grande surface pour maintenir plus efficacement la température d'un bâtiment.
L'étude, "Homéostasie thermique utilisant des matériaux à changement de phase microstructurés, " est publié dans Optique . La recherche a été financée par Northrop Grumman et la National Science Foundation. Ce développement fait partie d'un effort de recherche thématique entre Northrop Grumman, NG Next Basic Research et USC connu sous le nom de Northrop Grumman Institute of Optical Nanomaterials and Nanophotonics (NG-ION2).
Les chercheurs travaillent actuellement au développement du matériau dans l'installation de microfabrication de l'USC et bénéficieront probablement des nouvelles capacités du laboratoire de nanofabrication John D. O'Brien récemment dédié au Centre de l'USC Michelson pour la bioscience convergente.
