TU Delft test grafeen als materiaal voor zonnezeilen

Een team onderzoekers is een spannend experiment aan het voorbereiden waarin ze grafeen testen in een ruimteachtige, gewichtsloze omgeving, voor mogelijk toekomstig gebruik als ‘lichtzeil’ voor de voortstuwing van ruimtevaartuigen.

Het GrapheneX-team heeft het voorstel voor het experiment in oktober 2016 met succes ingediend bij het programma Drop Your Thesis! van ESA Education. De teamleden – Santiago Cartamil-Bueno, Rocco Gaudenzi, Davide Stefani en Vera Janssen – zullen van 6 tot 17 november 2017 in Bremen hun experiment uitvoeren bij de 146 meter hoge valtoren van het ZARM.

Voortstuwen met licht
Lichtzeilen kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen voort te stuwen met behulp van licht van de zon of van lasers op aarde. Wanneer licht wordt gereflecteerd door een oppervlak of erdoor wordt geabsorbeerd, oefent het een kracht uit die het oppervlak wegduwt van de lichtbron. Met deze stralingsdruk kunnen objecten in de ruimte worden voortgestuwd zonder dat er brandstof of gas aan te pas komt.

De van stralingsdruk afkomstige stuwkracht is echter erg zwak. Voor een effectieve voortstuwing moet het lichtzeil een groot oppervlak hebben en zo licht mogelijk zijn. Grafeen is heel licht en sterk, en zou een goede kandidaat voor zonnezeilen kunnen zijn. In een experiment waarin de geringe zwaartekracht en het bijna-vacuüm van de ruimte wordt gesimuleerd, wil het GrapheneX-team onderzoeken hoe grafeen als lichtzeil kan werken.

De testzeilen van het team zijn grafeenmembranen die worden geleverd door Graphene Flagship-partner Graphenea. De stralingsdruk van laserlicht dat met hoge energie op grafeenmembranen schijnt, zou de zeilen ongeveer 2 mm moeten verplaatsen. Deze verplaatsing zal met een eenvoudige microscoop worden gemeten, zodat het team de stuwkracht op de grafeenzeilen kan bepalen. Het team wil verschillende kleuren laserlicht gebruiken om het precieze mechanisme te onderzoeken waarmee de impuls van het licht op het grafeen wordt overgedragen.

Vrije val
Bij de valtoren van het ZARM wordt het experiment, dat wil zeggen de grafeenzeilen, de lasers en de camera’s, in een capsule geladen en met een katapult naar de top van de toren geschoten. Door het vacuüm in de toren kan de capsule omhoog en omlaag bewegen zonder wrijving of luchtweerstand, zodat de capsule zich praktisch in een toestand van gewichtsloosheid bevindt, met een zwaartekracht die een miljoenste is van de normale zwaartekracht op aarde. Wanneer de capsule versnelt, worden de grafeenzeilen losgelaten in een bijna gewichtloze vrije val. Op dat moment laat het team de laser op de grafeenchip schijnen en wordt de hierdoor gegenereerde druk op het grafeen gedetecteerd. Een belangrijke uitdaging van dit experiment is de automatisering van de procedures van het experiment, zodat de resultaten in de 9,3 seconden vrije val kunnen worden vastgelegd.

Al het voorbereidende werk voor het experiment wordt door het GrapheneX-team bij de TU Delft uitgevoerd, met ondersteuning van Herre van der Zant (TU Delft), Angelo Cervone (TU Delft) en Jian Rong Gao (TU Delft Space Institute). Als onderdeel van het programma Drop Your Thesis! wordt het team ook nog begeleid door Pekka Janhunen van het Fins Meteorologisch Instituut. Dit experiment wordt gesteund door ESA Education, het Graphene Flagship en het TU Delft Space Institute.

Volg de activiteiten op het blog!

GrapheneX op Twitter

GrapheneX op Facebook