Ground-Based Imaging and Data Analysis for the MISSE-22 Spaceflight Experiment

De ruimte is niet louter een lege zwarte leegte; het is een harde, actieve omgeving die de machines die we daarheen sturen langzaam wegvreet. In de lage baan rond de aarde worden de materialen van ruimtevaartuigen blootgesteld aan een hindernisbaan van onzichtbare bedreigingen: intense ultraviolette straling, extreme temperatuurschommelingen en een constante bombardement van atomaire zuurstof. Deze atomaire zuurstof is een zeer reactieve vorm van het element die oppervlaktelagen wegvreet, wat erosie veroorzaakt en materialen bros maakt. Terwijl wetenschappers op aarde proberen deze omstandigheden in laboratoria te simuleren, is de werkelijke omgeving te complex om perfect te kopiëren. Om echt te begrijpen hoe materialen verouderen, moeten ze in de ruimte zelf worden getest. Het Internationale Ruimtestation dient als een uniek buitengewoon laboratorium voor dit doel, waar experimenten worden gehuisvest die materialen direct blootstellen aan het vacuüm en de straling van de baan om de aarde. Het doel is om te observeren hoe deze materialen in de loop van de tijd veranderen, om er zeker van te zijn dat toekomstige ruimtevaartuigen de reis kunnen overleven.

Een team van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, de Amerikaanse luchtmacht en NASA bereidt zich voor op de lancering van een nieuw experiment genaamd MISSE-22 om precies dit te doen. In tegenstelling tot eerdere missies die voornamelijk keken naar hoe materialen van kleur veranderden of bros werden nadat ze naar de aarde waren teruggebracht, heeft dit experiment als doel om de materialen te zien veranderen terwijl ze nog in de ruimte zijn. Het team gebruikt een slimme optische truc genaamd photoelasticiteit om de onzichtbare spanning te zien die zich opbouwt in dunne plastic films. Wanneer een transparant materiaal wordt gebogen of uitgerekt, verandert de interne structuur op een manier die de manier waarop licht doorheen gaat beïnvloedt. Als je gepolariseerd licht door een gespannen stuk plastic laat schijnen, splitst het licht zich en creëert het een patroon van kleurrijke banden, vergelijkbaar met de regenboogglans die te zien is op een zeepbel of een laag olie op water. Deze kleuren zijn niet alleen decoratief; ze zijn een directe kaart van de fysieke spanning binnen het materiaal. Door te kijken naar hoe deze kleuren verschuiven, kunnen de onderzoekers bepalen of het materiaal zwakker of brosser wordt zonder het ooit aan te raken.

Het experiment is ontworpen om op de voorzijde van de Materials International Space Station Experiment-faciliteit te zitten, een locatie die de hoogste hoeveelheid impact van atomaire zuurstof ontvangt. Binnenin de hardware worden elf verschillende monsters van geavanceerde plastic films in een licht gebogen positie gehouden. Dit buigen brengt een constante, zachte spanning aan op elk monster, waardoor een basispatroon van kleurrijke franjes ontstaat nog voordat de missie begint. De monsters bevatten een mix van nieuwe, speciaal ontworpen polymeren die zijn gemaakt om de ruimteomgeving te weerstaan, evenals twee bekende materialen, Kapton en Melinex, die dienen als betrouwbare ijkpunten. De nieuwe materialen omvatten films gemaakt van siliciumgebaseerde verbindingen en andere die zijn versterkt met minuscule kooi-achtige moleculen, die allemaal zijn ontwikkeld om de harde omstandigheden in een baan om de aarde te weerstaan.

Om deze monsters te monitoren, voert het experiment een gespecialiseerd camerasysteem mee dat is uitgerust met eigen lichten en filters. Zodra de hardware op het station is geïnstalleerd, zal het systeem de monsters één keer per maand fotograferen. Naarmate de atomaire zuurstof en andere factoren in de ruimte de materialen afbreken, zal de interne spanning veranderen. Deze verandering zal ervoor zorgen dat de kleurrijke franjepatronen verschuiven, groeien of vervagen. De camera legt deze beelden vast en stuurt ze terug naar de aarde, waar onderzoekers computeralgoritmen gebruiken om de patronen te analyseren. In plaats van alleen naar de foto's te kijken, groepeert de software de pixels op kleur om precies bij te houden waar de spanning zich bevindt en hoe intens deze is. Dit stelt het team in staat om een tijdlijn van de gezondheid van het materiaal te maken, waarbij ze de degradatie in realtime volgen in plaats van te wachten tot het experiment terugkeert.

Vóór de lancering heeft het team uitgebreide tests op de grond uitgevoerd om vast te stellen hoe de spanningspatronen eruit zouden zien wanneer de materialen nieuw zijn. Ze maten de dikte van elke film en berekenden de initiële spanningsniveaus op basis van de zichtbare franjepatronen. De resultaten toonden aan dat de verschillende materialen met variërende niveaus van interne spanning begonnen. Zo vertoonde een van de polyethyleentereftalaatfilms bijvoorbeeld een veel hogere initiële spanning dan de polyimidefilms, een verschil dat werd veroorzaakt door de wijze waarop het werd geproduceerd. Deze metingen vooraf op de grond bieden een cruciaal "ground truth" basisniveau. Wanneer de ruimtegegevens arriveren, zullen de onderzoekers de nieuwe beelden vergelijken met deze initiële waarden om precies te zien hoe de spanning is geëvolueerd.

De betekenis van dit werk ligt in het vermogen om continue, in-situ data te leveren. Historisch gezien moesten wetenschappers jarenlang wachten tot een experiment vanuit de ruimte terugkeerde voordat ze de schade konden analyseren. MISSE-22 verandert dat door een venster te bieden op het proces terwijl het plaatsvindt. Door de verschuivende franjepatronen te correleren met de cumulatieve blootstelling aan atomaire zuurstof, hoopt het team betere modellen te bouwen voor het voorspellen van hoe materialen zullen falen. Deze kennis is essentieel voor het ontwerpen van de volgende generatie ruimtevaartuigen, in het bijzonder voor langdurige missies die verder dan de baan om de aarde zullen reizen naar de maan of Mars. De verzamelde gegevens zullen ingenieurs helpen bij het kiezen van de juiste materialen om ervoor te zorgen dat toekomstige ontdekkingsreizigers betrouwbare bescherming hebben tegen de meedogenloze omgeving van de ruimte.