Η επιστήμη των υλικών στην υπηρεσία επόμενων αποστολών στην καυτή Αφροδίτη

Το αεροτζέλ γραφενίου, υλικό με εξαιρετικές μονωτικές ιδιότητες, ικανότητα αποθήκευσης Ενέργειας κ.ά., είναι δύσκολο να κατασκευαστεί στη Γη, αλλά αυτό μπορεί να γίνει πιο εύκολα στο Διάστημα

Το ανθρακοπυρίτιο (ή ανθρακοκορούνδιο) είναι ένα από τα σκληρότερα συνθετικά υλικά, σχεδόν όσο σκληρό είναι το διαμάντι και δύσκολο να διαβρωθεί. Η εσωτερική του δομή μπορεί να έχει 200 διαφορετικούς κρυσταλλικούς τύπους. Αντέχει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και αντί να λιώσει στους 2.700 βαθμούς Κελσίου, εξαχνώνεται, δηλαδή περνάει απευθείας από τη στερεή στην αέρια φάση. Επιπλέον, είναι σταθερό στις συνθήκες που συναντώνται στο Διάστημα, δηλαδή στην ακτινοβολία, στη σκόνη, στις απότομες εναλλαγές ακραίων θερμοκρασιών και την έλλειψη βαρύτητας. Η κοσμική ακτινοβολία, που αποτελείται από υψηλής ενέργειας υποατομικά σωματίδια, υποβαθμίζει και τελικά καταστρέφει τα περισσότερα ηλεκτρονικά στοιχεία και κυκλώματα, που έχουν ως βάση το πυρίτιο. Αλλά το ανθρακοπυρίτιο (με χημικό τύπο SiC) είναι 60% λιγότερο ευαίσθητο στις κοσμικές ακτίνες. Επιπλέον, τα περισσότερα υλικά δεν μπορούν να αντέξουν σε θερμοκρασίες όπως οι 475 βαθμοί στην επιφάνεια της καυτής Αφροδίτης, ή οι πολύ κάτω από το μηδέν θερμοκρασίες του παγωμένου Ουρανού, πολύ περισσότερο τις εναλλαγές τους. Το ανθρακοπυρίτιο, αντίθετα, μπορεί!

Παρότι η Αφροδίτη είναι ο κοντινότερος γείτονάς μας στο ηλιακό σύστημα, μόνο μετρημένες στα δάχτυλα έγχρωμες πανοραμικές φωτογραφίες υπάρχουν από την επιφάνειά της, χάρη σε μια αποστολή σοβιετικού διαστημοπλοίου το 1982, που άντεξε επί δύο ώρες και κατάφερε να τις εκπέμψει στη Γη. Εκτός από τη θερμοκρασία, που είναι τόσο υψηλή, ώστε ο μόλυβδος να λιώνει, η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης είναι γεμάτη διοξείδιο του άνθρακα και διοξείδιο του θείου, με βροχή θειικού οξέος να πέφτει συχνά στην επιφάνειά της. Η πίεση της ατμόσφαιράς της είναι 90 φορές μεγαλύτερη από αυτή της γήινης, ανάλογη με τη συντριπτική πίεση που ασκείται σε βάθος 1.000 μέτρων μέσα στον ωκεανό.

Ιδιότητες

Η NASA έχει υπό σκέψη μια αποστολή διάρκειας 60 ημερών στην επιφάνεια της Αφροδίτης, αλλά δεν ξέρει πώς να κατασκευάσει τα απαραίτητα επιστημονικά όργανα. Στις συνθήκες θερμοκρασίας αυτού του πλανήτη, πολλά υλικά λιώνουν, αλλά και να μη λιώσουν, αλλάζουν οι ηλεκτρικές και άλλες ιδιότητές τους, με αποτέλεσμα να είναι άγνωστο αν θα μπορέσουν να λειτουργήσουν τα εξαρτήματα μιας αυτόματης διαστημοσυσκευής που θα σταλεί εκεί. Στα ολοκληρωμένα κυκλώματα ενός κινητού τηλεφώνου, για παράδειγμα, θα δημιουργούνταν εξαιτίας της θερμοκρασίας μια έντονη ροή ηλεκτρονίων, που θα τα κατέστρεφε. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν ως βάση το πυρίτιο, πάνω στο οποίο ακουμπούν οι μεταλλικοί ακροδέκτες που τα περιβάλλουν και τα συνδέουν με άλλα ηλεκτρονικά στοιχεία του εξαρτήματος. Όταν όμως η θερμοκρασία ξεπεράσει ένα όριο, το μέταλλο διαχέεται μέσα στο υλικό του ημιαγωγού (πυρίτιο) και το μετατρέπει σε ένα ανεπιθύμητο κράμα, αλλάζοντας τις μηχανικές και ηλεκτρικές του ιδιότητες.

Το ανθρακοπυρίτιο και μια άλλη χημική ένωση, το νιτρίδιο του γαλλίου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη θέση του πυριτίου. Το νιτρίδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικά ισχύος, ηλεκτρονικά υψηλών συχνοτήτων και τα μπλε LED. Και τα δύο υλικά έχουν ιδιότητες ημιαγωγού, όπως το πυρίτιο, αλλά αντέχουν υψηλές θερμοκρασίες και ισχυρές ακτινοβολίες, εξαιτίας της μεγαλύτερης ποσότητας Ενέργειας που απαιτείται, ώστε ηλεκτρόνια των ατόμων από τα οποία αποτελούνται αυτές οι ενώσεις να γίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν να σχηματίσουν ηλεκτρικό ρεύμα. Το νιτρίδιο του γαλλίου άγει ηλεκτρικό ρεύμα ακόμη και σε θερμοκρασίες υψηλότερες από 1.000 βαθμούς Κελσίου. Ερευνητές πειραματίζονται με την κατασκευή τρανζίστορ από νιτρίδιο του γαλλίου και τα υποβάλλουν για μέρες σε συνθήκες ανάλογες με αυτές που επικρατούν στην Αφροδίτη, για να δοκιμάσουν την αντοχή τους.

Σε τροχιά

Ολοκληρωμένα κυκλώματα από νιτρίδιο του γαλλίου, ανθεκτικού σε υψηλές θερμοκρασίες, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στις ακραίες συνθήκες της Αφροδίτης

Αν και το ανθρακοπυρίτιο και το νιτρίδιο του γαλλίου είναι χρήσιμα υλικά για την κατασκευή ανθεκτικών ηλεκτρονικών, η παρασκευή τους στη Γη σε μορφή χωρίς ελαττώματα είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Αντίθετα, σε τροχιά, όπου επικρατούν συνθήκες μικροβαρύτητας, είναι πιο εύκολη η κατασκευή μεγάλων ομογενών κρυστάλλων τους. Για να κατανοήσει κανείς τη διαφορά, μπορεί να σκεφτεί ένα φλιτζάνι ελληνικού καφέ. Στη Γη η βαρύτητα έλκει τα σωματίδια του τριμμένου καφέ προς τον πάτο του φλιτζανιού και έτσι μετά από λίγο μπορεί κανείς να πιει το καθαρό υγρό μείγμα από πάνω τους. Σε συνθήκες μικροβαρύτητας, τα σωματίδια του καφέ θα παρέμεναν ομοιόμορφα κατανεμημένα μέσα στο μείγμα. Αν και στην περίπτωση του καφέ κάτι τέτοιο δεν είναι επιθυμητό, είναι πολύ χρήσιμο στην ταχεία κατασκευή ομογενών υλικών μεγάλου μεγέθους.

Ενας άλλος παράγοντας που εμποδίζει τη διαδικασία παρασκευής τέτοιων υλικών στη Γη είναι η πλευστότητα, που κάνει μικροσκοπικές φυσαλίδες αέρα και άλλα υλικά με πυκνότητα μικρότερη του νερού να ανεβαίνουν προς τα πάνω και τελικά να επιπλέουν. Αυτό δυσκολεύει την ομοιόμορφη ανάμειξη των υλικών. Πλευστότητα δεν υπάρχει σε συνθήκες μικροβαρύτητας. Τρίτος παράγοντας δυσκολίας παρασκευής ομογενών υλικών στην επιφάνεια της Γης και υποβάθμισης της ποιότητάς τους είναι η θερμική συναγωγή, δηλαδή η κίνηση των μορίων μέσα σε ένα ρευστό, που προκαλείται από θερμοκρασιακές διαφορές. Και πάλι σε συνθήκες μικροβαρύτητας ο παράγοντας αυτός εκλείπει.

Επιμέλεια: Σταύρος Ξενικουδάκης – Πηγή: «Scientific American»

(Αναδημοσίευση από τον Ριζοσπάστη του Σαββατοκύριακου 21-22 Οκτώβρη 2023)