חומר פולימרי חכם בייצור כחול לבן שמנגנון הפריסה שלו נשלט מרחוק נשלח לחלל

סטודנטית לתואר שני במדע והנדסה של חומרים חוקרת פולימרים משני-צורה מבוססי אפוקסי ליישומים בסביבת חלל

החוקר מאחורי המחקר

דבי מרגוי, לאחר סיום תואר ראשון בהנדסת פלסטיקה במכללת שנקר ומספר שנות עבודה בתעשייה, התקבלה כתלמידת מחקר למחלקת סביבת חלל במרכז למחקר גרעיני (ממ"ג) שורק. במקביל התקבלה כסטודנטית לתואר שני במדע והנדסה של חומרים באוניברסיטת תל אביב. נושא מחקרה עסק  ב- "פולימרים משני-צורה מבוססי אפוקסי ליישומים בסביבת חלל". פולימרים משני צורה הינם חומרים חכמים בעלי זיכרון צורני. ניתן לעוות אותם לצורה זמנית ולהחזירם לצורתם המקורית בעת חשיפה לתנאים מתאימים.

 

על הפיתוח

המחקר, שבוצע בהנחייתם של ד"ר רונן ורקר ממחלקת סביבת חלל מממ"ג שורק ופרופ' נעם אליעז מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים באוניברסיטת תל אביב, התמקד בתכנון פורמולציה מבוססת אפוקסי עם הטמעה של גופי חימום בתוך המטריצה האפוקסית. "למעשה, תכננו צלעות חכמות שעשויות מאפוקסי ובתוכן מעין רשת סיבי פחמן שהיוו גופי חימום, דרכם ניתן להעביר זרם חשמלי וליצור חימום התנגדותי. חימום האפוקסי מאפשר את ריכוך הפולימר ואת היכולת לכופף אותו בזוויות רצויות וקיבועו בצורה חדשה זו לאחר שהוא מתקרר. החימום נשלט על ידי הזרם החשמלי המועבר בסיבי הפחמן. הצלעות הנ"ל יכולות להוות התקן מתקפל ונפרס לכל שימוש רצוי. לדוגמא, הוא יכול להוות התקן פריסה לצלעות אנטנה עתידית ללוויין" מסבירה דבי.

בסרטון (הקליקו): מבט צד על פריסה של האקטואטור. תחילה הוא נתון בצורתו המשנית בזמן אפס, בעת העברת מתח בגופי החימום הוא מתחיל להפרס. סימוכין: Margoy et al., Acta Astronautica 178 (2021) 908–919

 

עבודה על מערכות חומריות

במשך כשנה וחצי הם עבדו על שתי מערכות חומריות שכוללות את המטריצה האפוקסית - אחת כללה בתוכה גופי חימום מסוג פחמן והשנייה כללה גופי חימום מסוג ניקל-כרום. הצוות תכנן תבניות ועבד על הרכב הפורמולציה ועל סידור גופי החימום בתוך המטריצה הפולימרית, כשבכל סט חדש של כל מערכת חומרית נבדקה יכולת הפריסה והכפיפה. בתום תהליך הפיתוח של שתי המערכות נבחרה המערכת החומרית עם גופי החימום מסוג פחמן בשל ביצועים טובים יותר.

 

סביבת החלל, בדגש על מסלולים נמוכים (LEO), מאופיינת בהמצאות חמצן אטומי המהווה חומר קורוזיבי המאכל במהירות חומרים אורגניים לא מוגנים. "בשלב השני של המחקר התחלנו להוסיף תוספים משריינים, אשר גורמים להיווצרות שכבת תחמוצת סיליקון פסיבית על פני האקטואטור הננו-מרוכב בעת מגע עם חמצן אטומי. בהמשך, הוצעה שיטה לשליטה בזווית הפריסה של האקטואטורים בתנאים המדמים סביבת חלל על ידי מדידת שינויים בערכי ההתנגדות החשמלית שנוצרו בהם כתוצאה ממאמצים הפועלים על סיבי הפחמן בזוויות כפיפה שונות של האקטואטור. בנוסף, הצענו שיטה לשיפור היעילות האנרגטית של מנגנון פריסת האקטואטורים ע"י ציפוי האקטואטורים בשכבת אלומיניום בעובי ננומטרי, הגורמת לשיפור בשימור החום על ידי החזרים פנימיים של קרינה אינפרה אדומה" ממשיכה דבי להסביר.

 

התקן בעל יכולת תנועה

אקטואטור הינו התקן בעל יכולת תנועה. למעשה, בכל מערכת שבה נדרשת יכולת תנועה ניתן להכניס התקן כזה. ללוויינים יש אילוצי מסה ונפח. לכן, כל המנגנונים המאפשרים תנועה בלוויין צריכים כולם להיות קלי משקל, קטנים/מקופלים ומהימנים בתפקודם.

 

"כיום יש שתי קבוצות של מערכות נפרסות בחלל: המערכות הנפוצות הן מכאניות, בהן נקודות הקיפול מתבססות על מפרקים וצירים מתכתיים שנסגרים באמצעות קפיצים. מערכות אלה כבדות ומגושמות. קבוצה שניה ופחות מקובלת מבוססת על מערכות מתנפחות. מערכות אלה קלות משקל וקומפקטיות באחסון וקיפול, אך מהימנותן לא הוכחה במלואה. גישה נוספת, אותה חקרנו, מבוססת על פולימרים משני צורה המתאפיינים ביחס גבוה של חוזק למשקל, עלות נמוכה ומקדמי התפשטות תרמית נמוכים לעומת מתכות. היתרון במערכת החכמה שתוכננה היא, שניתן לשלוט בזוויות הפריסה תוך שימוש בהספק נמוך. מלבד פולימרים ישנם חומרים חכמים שעשויים ממתכות (לדוגמה, ליישור שיניים באמצעות תיילים אורטודונטיים או הכפיות המתכופפות של אורי גלר), מחומרים קרמיים. בשל היתרונות של הפולימרים לסביבת חלל, בחרנו להתמקד בהם" מוסיפה להסביר דבי.

 

הננו-לוויין של אוניברסיטת תל אביב שוגר לחלל מאתר שיגור בוירג'יניה בתאריך 20 בפברואר 2021. הוא שוקל פחות מ- 2.5 ק"ג ומידותיו 10×10×30 סנטימטרים. הננו-לווין משלים הקפה סביב כדור הארץ מדי 90 דקות. הוא נע כעת בגובה של כ- 400 ק"מ מעל כדור הארץ, במסלול המכונה Low Earth Orbit (LEO). החומר שפותח במסגרת עבודת המסטר נועד לעמוד בסביבת חלל זו.

 

"המערכת שפיתחנו היתה אחת מ- 5 ניסויים ב- TAU-SAT1. ביום חמישי, 8 באפריל, בשעה 19:00 (שעון ישראל) נשלחה מתחנת הבקרה שבפקולטה להנדסה פקודה לננו-לווין לפרוס את האקטואטור. הפריסה התחילה 6 דקות לאחר מתן הפקודה, כמתוכנן, לצורך חימום הדרגתי. האקטואטור שוגר כשהוא מכופף ב- 90 מעלות והתיישר במלואו בגמר הפריסה. חומרה ייעודית שהותקנה על הלווין היתה אחראית להעברת הזרם ולבקרה. גלאים אופטיים על הלווין זיהו את הפריסה" מספרת דבי.

 

פריצת דרך אמיתית

דבי מסבירה על פריצת הדרך האמיתית במחקר: "פריצת הדרך כאן היא, שזוהי הפעם הראשונה שמשוגר מישראל לוויין עם מנגנון פריסה מבוסס פולימר משנה צורה הנשלט מרחוק (קרי, מכדור הארץ). הוגשה בקשת פטנט משותפת לקבוצות בממ"ג שורק ובפקולטה להנדסה. מנגנון הפריסה שפותח יוכל לחסוך בעתיד את הצורך לשגר מתכות כבדות ולשמש לפריסת רכיבים שונים כגון אנטנות ולוחות סולאריים. המערכת שבנינו עשויה להשתלב בעתיד באנטנה של לווין, שתהיה בנויה מהרבה צלעות, כמו צלעות של מטריה (רק בלי הברגים והצירים!). הכוונה היא, כמובן, לבצע פריסה מחוץ ללוויין, ולא בתוך הלוויין כפי שביצענו כאן". 

 

"העובדה, שהאקטואטר שלנו הצליח להיפרס במלואו ובקצב המתוכנן, היא הישג אדיר וגאווה עצומה. זהו המשוב הטוב ביותר שיכולתי לאחל לו. כידוע, גדול המרחק בין הצלחה במעבדה על כדור הארץ להצלחה בזמן אמת בשרות בתנאי חלל. אני שמחה וגאה, שניתנה לי ההזדמנות לבצע מחקר פורץ דרך זה במסגרת המסטר שלי באוניברסיטת תל אביב וממ"ג שורק, בשיתוף פעולה בין-ארגוני, ובהנחיית רונן ונעם" מסכמת דבי.

 

לכתבה במגזין Ynet

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש
שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>