L’un des composants les plus importants des satellites permettant les télécommunications est le guide d’ondes, qui est un tube métallique destiné à guider les ondes radio. C’est également l’une des charges utiles les plus lourdes que les satellites transportent en orbite. Comme pour toute technologie spatiale, réduire le poids signifie réduire la quantité de carburant coûteux et générateur de gaz à effet de serre nécessaire pour lancer une fusée ou augmenter le nombre d'appareils transportés par la même fusée dans l'espace.

Des chercheurs de l'Université Drexel et de l'Université de la Colombie-Britannique tentent d'alléger la charge en créant et en testant un guide d'ondes fabriqué à partir de polymères imprimés en 3D recouverts d'un nanomatériau conducteur appelé MXene.

Dans leur article récemment publié dans la revue Materials Today , le groupe a signalé le potentiel de l'utilisation de revêtements MXene pour conférer une conductivité électrique à des composants légers non conducteurs, une propriété sacrifiée dans la fabrication additive utilisant des matériaux polymères, tels que les plastiques.

"Dans les applications de vols spatiaux, chaque gramme de poids supplémentaire compte", a déclaré Yury Gogotsi, Ph.D., université distinguée et professeur Bach au Drexel's College of Engineering, leader dans la recherche sur le MXene. "Les matériaux MXène fournissent l'un des revêtements les plus fins possibles (leurs flocons ont une épaisseur de quelques atomes) qui peuvent créer une surface conductrice. Nous voyons donc un grand potentiel dans l'utilisation des MXènes pour traiter des composants fabriqués de manière additive à base de polymères aux formes complexes."

Les guides d'ondes fonctionnent comme des pipelines pour les micro-ondes. Ils dirigent les ondes vers les récepteurs tout en préservant la puissance du signal. Dans un four à micro-ondes, des guides d'ondes assurent le chauffage des aliments; sur un satellite, ils transfèrent des signaux de haute qualité entre différents objets au sein et entre les satellites, ainsi qu'entre les satellites et la Terre.

Et, tout comme le réseau complexe de tuyaux qui serpentent à travers une maison, les guides d’ondes sont conçus sous différentes formes pour s’adapter aux espaces confinés. Ils peuvent aller de simples canaux droits à des structures aussi complexes qu'un labyrinthe.

"Les guides d'ondes peuvent être aussi simples qu'un canal droit et rectangulaire, ou ils peuvent prendre des formes ressemblant à une" paille folle ", avec des courbures et des torsions", a déclaré Mohammad Zarifi, professeur agrégé qui étudie la communication par micro-ondes à l'Université de la Colombie-Britannique et a dirigé les efforts d'ingénierie électrique et de conception de l'équipe. "Cependant, ce qui change vraiment la donne, c'est l'avènement des méthodes de fabrication additive, qui permettent de réaliser des conceptions plus complexes qui peuvent être difficiles à produire avec des métaux."

Alors que n'importe quel tube creux peut être utilisé comme « guide d'ondes » primitif, ceux qui transmettent les ondes électromagnétiques (dans les fours à micro-ondes et les appareils de télécommunications, par exemple) doivent être fabriqués à partir d'un matériau conducteur pour préserver la qualité de la transmission. Ces guides d'ondes sont généralement fabriqués à partir de métaux comme l'argent, le laiton et le cuivre. Dans les satellites, l'aluminium est le choix le plus léger.

Les chercheurs de Drexel, qui ont découvert les MXènes pour la première fois en 2011 et ont dirigé leurs recherches et développements depuis, ont suggéré que les nanomatériaux 2D seraient un bon candidat comme revêtement pour les composants du guide d'ondes en plastique, sur la base de leurs découvertes antérieures selon lesquelles les MXènes peuvent bloquer et canaliser l'électromagnétique. rayonnement.

"Notre revêtement MXène est apparu comme un candidat sérieux pour cette application car il est hautement conducteur, fonctionne comme un bouclier électromagnétique et peut être produit simplement en plongeant le guide d'ondes dans des MXènes dispersés dans l'eau", a déclaré Lingyi Bi, titulaire d'un doctorat. candidat dans le groupe de Gogotsi. "D'autres peintures métalliques ont été testées, mais en raison des produits chimiques utilisés pour stabiliser leurs ingrédients métalliques, leur conductivité souffre par rapport aux MXènes."

De plus, les chercheurs ont rapporté que le revêtement MXene adhère exceptionnellement bien aux guides d’ondes en nylon imprimés en 3D en raison de la compatibilité entre leurs structures chimiques. L'équipe a enduit des guides légers de différentes formes et tailles (droits, courbés, tordus et en forme de résonateur) pour tester la capacité de MXene à couvrir complètement leur intérieur.

Les guides d'ondes en nylon recouverts de MXene pèsent environ huit fois moins que ceux en aluminium standard actuellement utilisés, et le revêtement MXene n'ajoute qu'un dixième de gramme au poids total des composants.

Plus important encore, les guides d'ondes MXene ont fonctionné presque aussi bien que leurs homologues en aluminium, montrant une efficacité de 81 % dans le guidage des ondes électromagnétiques entre deux terminaux après un seul cycle de revêtement par immersion, soit une baisse de 2,3 % seulement par rapport aux performances de l'aluminium. Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient améliorer cette mesure de transmission en faisant varier les couches de revêtement ou la taille des flocons de MXene, atteignant ainsi une efficacité de transmission maximale de 95 %.

Cette performance est restée stable lorsque la transmission a été composée sur les différentes bandes de fréquences, telles que celles actuellement utilisées dans les communications par satellite en orbite terrestre basse, et avec une puissance d'entrée suffisamment élevée pour ces transmissions. Il ne s'est pas non plus dégradé de manière significative au bout de trois mois, indicateur de la durabilité du revêtement.

"Les guides d'ondes recouverts de MXène doivent encore subir des tests approfondis et être certifiés pour une utilisation spatiale avant de pouvoir être utilisés sur des satellites", a déclaré Roman Rakhmanov, doctorant à Drexel qui a participé à la recherche. "Mais cette découverte pourrait constituer une étape importante vers la prochaine génération de technologie spatiale."

L'équipe de Gogotsi prévoit de poursuivre son exploration des revêtements MXene dans des applications qui pourraient bénéficier d'une alternative aux composants métalliques.

"Ces résultats prometteurs suggèrent que les composants revêtus de MXène pourraient constituer un remplacement léger et viable des guides d'ondes utilisés dans l'espace", a déclaré Gogotsi. "Nous pensons que les revêtements pourraient également être optimisés pour les transmissions de fréquences variables et appliqués à une variété de composants polymères fabriqués par fabrication additive ou moulés par injection, offrant ainsi une alternative légère et peu coûteuse aux métaux dans un certain nombre d'applications terrestres également. "

Plus d'informations : Omid Niksan et al, MXene guide les micro-ondes à travers des structures polymères 3D, Materials Today (2024). DOI :10.1016/j.mattod.2023.12.013

Fourni par l'Université Drexel