Mechanism of Mold-Induced Degradation of Silicone Rubber Under Microgravity in Space Environment

Binnen de afgesloten, klimaatgestuurde cabines van een ruimtestation vindt een stille strijd plaats tussen menselijke technologie en het microscopische leven dat onvermijdelijk met ons meereist. Siliconenrubber, een materiaal dat wordt geprezen om zijn flexibiliteit en vermogen om extreme temperaturen te weerstaan, dient als de cruciale afdichting die de lucht binnenhoudt en het vacuüm van de ruimte buiten. Het is de onbezongen held die de levensondersteunende systemen en elektrische componenten bij elkaar houdt. Dit materiaal is echter niet immuun voor de kleine schimmels die als passagier meeliften op astronauten en apparatuur. In de warme, vochtige en nutriëntenrijke omgeving van een ruimtevaartuig kunnen deze schimmels zich op rubberoppervlakken nestelen, waarbij ze zich voeden met de organische additieven die tijdens de productie zijn achtergelaten. De vraag voor ingenieurs is al lang of de unieke omstandigheden van de ruimte — specifgens de afwezigheid van zwaartekracht — de manier waarop deze organismen hun gastheer aanvallen, zou veranderen. Zou de zwevende, gewichtloze omgeving het rubber kwetsbaarder maken, of zou het het materiaal op de een of andere manier beschermen door het vermogen van de schimmels om te groeien te verstoren?

Om dit te beantwoorden, voerden onderzoekers van het Chinese ruimtevaartprogramma en universiteiten een directe vergelijking uit door monsters van siliconenrubber in een baan om de aarde te sturen aan boord van de Shenzhou-ruimtevaartuig, terwijl identieke monsters op de grond werden gehouden. Ze vaccineerden beide sets monsters met een veelvoorkomende schimmel genaamd Aspergillus brasiliensis, een schimmel die vaak in de bodem en in rottend organisch materiaal wordt aangetroffen. De ruimte-monsters brachten negentig dagen door in de echte microzwaartekracht van het Chinese ruimtestation, terwijl de grond-monsters groeiden in een gecontroleerde laboratoriumomgeving die de temperatuur en vochtigheid van het station nabootste. Door de ruimte-monsters terug naar de aarde te brengen en ze te analyseren naast hun aardse tweelingen, kon het team precies observeren hoe het gebrek aan zwaartekracht het gedrag van de schimmel en de daaropvolgende schade aan het rubber beïnvloedde.

De resultaten onthulden een verrassend verschil in hoe de schimmel zich in de twee omgevingen gedroeg. Op aarde gedijde de schimmel. De sporen, wat de minuscule voortplantingsunits van de schimmel zijn, vestigden zich zwaar op het rubberoppervlak en vormden dichte clusters. Terwijl ze groeiden, scheidden ze een aanzienlijke hoeveelheid organische zuren uit, waaronder een specifst type genaamd boterzuur. Deze zuren werkten als een chemisch oplosmiddel, drongen het rubber binnen en braken de interne structuur af. De onderzoekers stelden vast dat de totale hoeveelheid zuur geproduceerd door de op de grond gebaseerde schimmel tien keer hoger was dan die geproduceerd door de schimmel in de ruimte. Deze chemische aanval leidde tot zichtbare schade: het rubberoppervlak werd ruw, gepit en schilferig, waardoor het gladde oppervlak en cruciaal genoeg, het vermogen om elektriciteit te weerstaan, verloren ging. De isolerende eigenschappen van het materiaal daalden van ongeveer 600 kΩ·cm naar ongeveer 330 kΩ·cm, een reductie van bijna 50%, een teken dat de interne moleculaire ketens ernstig waren aangetast.

In contrast hiermee worstelde de schimmel in de ruimte om een voet aan de grond te krijgen. Zonder zwaartekracht om de sporen naar beneden te trekken en ze op het oppervlak te houden, gedroeg de vloeistof die de sporen bevatte zich anders, voornamelijk gestuurd door oppervlaktespanning. Dit zorgde ervoor dat de sporen zich alleen aan de randen van de vloeistofdruppels verzamelden in plaats van zich gelijkmatig over het rubber te verspreiden. Gevolgelijk bleef de schimmel in de ruimte schaars en grotendeels inactief. Het produceerde zeer weinig van de schadelijke organische zuren, en het rubberoppervlak bleef grotendeels intact. Hoewel er enkele kleine scheurtjes waren waar de vloeistof was opgedroogd, leed het materiaal niet onder de wijdverspreide erosie die op aarde werd gezien. De onderzoekers bevestigden dit door het rubber onder krachtige microscopen te bekijken en licht te gebruiken om chemische veranderingen te detecteren; de ruimte-monsters vertoonden veel minder tekenen van de moleculaire afbraak die kenmerkend is voor schimmelverval.

De studie concludeert dat de microzwaartekrachtomgeving het degradatieproces aanzienlijk verandert, wat resulteert in minder materiaalschade vergeleken met de omstandigheden op aarde. De afwezigheid van zwaartekracht voorkomt dat de schimmel de dichte, zuurproducerende kolonies vormt die op de grond zo destructief zijn. In plaats van een uniforme laag van verval, resulteert de ruimte-omgeving in een verspreide, zwakke kolonisatie die het materiaal een lager niveau van degradatie geeft. Deze bevinding is essentieel voor de toekomst van langdurige ruimtevluchten, aangezien het suggereert dat siliconenrubberen afdichtingen in een baan om de aarde minder biologische slijtage zullen ervaren dan op aarde. Het geeft ingenieurs een duidelijker beeld van hoe materialen in de ruimte zullen verouderen, waardoor ze betere beschermingsstrategieën kunnen ontwerpen en ervoor kunnen zorgen dat de cruciale afdichtingen die astronauten veilig houden, jarenlang betrouwbaar blijven.