Intresset för rymden växer runt om på vår planet. Forskningsinitiativet Graphene Flagship, som koordineras från Chalmers i Göteborg, har en budget på 1 miljard euro. Här undersöks vilka möjligheter det finns att använda 2D-materialet grafen vid framtida rymdresor, bland annat hur man kan åstadkomma 3D-utskrifter i tyngdlöst tillstånd.
Göteborg är betydligt mer än bara en hubb för fordonsindustrin. Raketuppskjutningar, rymdexperiment och ett av EU:s största vetenskapliga forskningsinitiativ genom tiderna: alla dessa projekt samordnas i själva verket från Chalmers tekniska högskola i hjärtat av Göteborg.
Förutom att vara ett av Sveriges mest välrenommerade universitet ansvarar Chalmers för att koordinera Graphene Flagship, ett EU-finansierat forskningsinitiativ med en budget på 1 miljard euro som undersöker grafens natur och tillämpningar. Grafen är världens tunnaste kända material och är också extremt starkt, flexibelt och elektriskt ledande, vilket betyder att det idag kan användas inom många områden och har en framtida potential för tekniska projekt inom många sektorer. The Graphene Flagship, som grundades 2013, arbetar för att föra ut detta nanomaterial från labbet och till kommersiella tillämpningar.
När flaggskeppet Graphene grundades var det dock inte nödvändigtvis förutsebart att dess forskare under det första decenniumet inte bara skulle arbeta med att utveckla grafenapplikationer på jorden utan även i rymden.
Under de senaste åren har Graphene Flagship-forskare testat hur grafen kan användas för att utöka kapaciteten för rymdresor, vilket kan ha effekten att göra det möjligt för människor att utforska rymden under längre tid och på ett säkrare sätt, samt till att etablera bostäder på månar eller andra planeter.
Tillämpningar i rymden
Grafenets nuvarande och potentiella användningsområden inom rymdteknik är många. Till exempel kan grafenförbättrade hydrogeler skapa bättre och mer mekaniskt motståndskraftiga material för rymdfarkoster. Grafen och grafenrelaterade material tenderar att vara både lättare och starkare än andra material, vilket innebär att rymdfarkoster konstruerade med grafen kan vara både mer motståndskraftiga mot rymdens hårda miljöförhållanden än de material som för närvarande används, samt lättare, vilket skulle innebära att en mindre mängd bränsle krävs för att driva rymdfarkosten i omloppsbana.
Tyngdlös additiv tillverkning
The Graphene Flagship har genomfört olika experiment för att testa grafen i rymden såväl som i noll-gravitationsförhållanden, vilket till och med har resulterat i att vissa experiment har ägt rum på Esrange Space Center i Kiruna i samarbete med Swedish Space Corporation. Dessa experiment inkluderar uppskjutning av forskningsraketer som innehåller experiment som testar hur grafen och grafenbaserat bläck beter sig under viktlösa förhållanden. Resultaten av dessa experiment kommer att ge information om utvecklingen av nya additiva tillverkningssätt i rymden, såsom 3D-utskrifter. Sådana procedurer är nyckeln för utforskningen av rymden, under vilka ersättningskomponenter ofta behövs: Om 3D-utskrift möjliggjordes i rymden, skulle en sådan innovation kunna göra det möjligt för astronauter att skapa de verktyg och material de behöver även när de är långt borta från jorden.
Internationella samarbeten
Ett annat exempel på rymdspecifik grafenflagskeppsforskning är det arbete som utförs av projektpartnerna Consiglio Nazionale delle Ricerche (Italien), Centre for Research and Engineering in Space Technologies vid Université libre de Bruxelles och Cambridge Graphene Centre (Storbritannien), i samarbete med partnerföretaget Leonardo. Tillsammans arbetar dessa partners för att skapa ett nytt kylsystem med låg energiförbrukning och lågt underhållsbehov som använder grafenförstärkta loop-värmepipor, vilket skulle kunna ge en lösning på begränsningarna för termisk hanteringsteknik som för närvarande finns ombord på rymdfarkoster.
Ett team av studenter vid Delft Technical University (TU Delft) i Nederländerna har under tiden arbetat med att testa grafen i rymdliknande mikrogravitation, för potentiell framtida användning som ett lätt segel i framdrivning av rymdfarkoster. Lätta segel kan användas i rymden som ett sätt att driva fram rymdfarkoster med hjälp av ljus från solen eller från jordbaserade lasrar. När ljus reflekteras från eller absorberas av en yta utövar det en kraft som trycker bort ytan från ljuskällan. Eftersom grafenen är mycket lätt och stark är den en utmärkt kandidat för solsegel.
Andra rymdrelaterade grafenflaggskeppsprojekt inkluderar att försöka använda grafenbaserad teknik för att övervinna den nuvarande bristen på teknik för strålningsavskärmning. Astronauter som tillbringar längre tid i rymden – till och med bara några månader – utsätts för farlig kosmisk strålning; och för närvarande finns det ingen teknik som kan skydda dem från denna fara. Grafen har potential att ta itu med detta problem genom att utveckla bättre skyddade rymdfarkoster, eller till och med genom att skapa bättre motorer, som skulle kunna göra det möjligt för rymdfarkoster att röra sig snabbare och därigenom minska den tid som astronauter är i rymden och utsätts för strålning.
Måndamm en känd utmaning
Flaggskeppsforskare av grafen undersöker också hur grafen kan användas specifikt på månen för att bekämpa den pågående utmaningen som regolit utgör, även känt som ”måndamm”. Regolit är mycket vasst och, ända sedan Apollo-uppdragens tid, har det varit en av de största utmaningarna som månuppdragen har behövt övervinna. Det är ansvarigt för mekaniska och elektrostatiska skador på utrustning och är också farligt för astronauter, täpper igen rymddräkternas leder, skymmer visir och eroderar skyddande lager. Grafen och grafenbaserade kompositer, med sina anmärkningsvärda egenskaper att vara lätta och extremt starka, skulle kunna användas för att belägga utrustning och skyddande lager, och därmed bättre skydda astronauter och deras rymdfarkoster.
Dr Carlo Iorio, senior forskare vid Université libre de Bruxelles och Graphene Flagship Space Champion, är avmätt men också ärlig i sin bedömning av grafens potential att förändra utforskningen av rymden.
– En ny revolution inom utforskningen av rymden är på gång – och jag använder inte ordet ”revolution” lättvindigt. Under de senaste sju eller åtta åren har vi sett ett förnyat internationellt intresse för rymden och dess potential att lära oss mer om världarna bortom vår egen, och om hur människor kan existera och till och med trivas bortom jorden i framtiden, säger Dr Iorio.
– Rymdorganisationer inklusive European Space Agency, NASA, Chinese Space Agency och Russian Space Agency siktar för närvarande på att skapa en bas på månen och sedan använda denna som en bas för att resa till Mars – en planet som skulle, med hjälp av (om än kontroversiell) terraforming, en dag kunna stödja människors liv. Och den rymdrelaterade forskning som forskare bedriver om nanomaterial som grafen – ett material med enorm outnyttjad potential – är alla en del av detta bredare projekt för att hjälpa människor att utforska rymden och bättre förstå vår framtida plats med det.
Tillbaka på jorden och Esrange
Vad gör då Sverige till en så bra bas att skjuta upp raketer ifrån och att bedriva rymdforskning?
– Sverige är en mycket stark rymdnation med erfarenhet av raketuppskjutning sedan 1961 och har hjälpt till med ingenjörstjänster i princip i alla stora rymduppdrag i historien. Från vår raketbas Esrange, ovanför polcirkeln har vi skjutit upp närmare 700 sondraketer och många av experimenten ombord har utvecklats av oss tillsammans med forskare, säger Marcus Lindh, systemingenjör & projektledare på Swedish Space Corporation.
– Det avlägsna området långt från civilisationen är avgörande för att utföra raketuppskjutningar på grund av faran och ljudföroreningarna under själva uppskjutningen. Esrange är verkligen en perfekt plats för att bedriva rymdforskning och raketuppskjutningar.
– Vi har nu genomfört två lanseringar med grafenexperimentet ARLES och hoppas att många fler kommer. Med över 40 000 ingenjörstimmar nedlagda på att utveckla dessa grafenexperiment, är vi övertygade om att vi kan tänja på gränserna ännu längre och är perfekta dem för mer mikrogravitationsforskning i framtiden.
När det gäller Göteborg är det logiskt att staden ligger i centrum för den här forskningen. Staden är inte bara ett nav för det globala ingenjörssamfundet tack vare Chalmers, utan den är också starkt involverad i ett hållbarhetsinitiativ: Enligt Global Destination Sustainability Index har Göteborg, före städer som Bergen och Köpenhamn, rankats som världens mest hållbara stad för fjärde året i rad.
Graphens tillämpningar inom hållbarhet innebär att staden är ett logiskt hem för forskning inom detta banbrytande material. Med staden och dess forskare, som alltså numera sträcker sig mot stjärnorna, är detta helt klart en speciell tid i historien. Vart Göteborg och grafen än går härnäst kommer det att bli spännande.
