Ay üssü için Mylar kalkanı: Penn'in katmanlı filmi hem ısıyı tutuyor hem ezilmeye dayanıyor

Pennsylvania Üniversitesi'nden (Penn) mühendisler, gıda ambalajından ve acil durum battaniyelerinden tanıdığımız Mylar'ı yüzlerce kat üst üste dizerek hem ısıyı iyi tutan hem de sıkıştırmaya dayanan bir malzeme üretti. Üniversitenin 23 Ekim'de duyurduğu ve ACS Applied Materials & Interfaces dergisinde yayımlanan çalışmaya göre ekip, "katmanlı yalıtkan film yığını" adını verdiği bu malzemeyi gelecekteki Ay yerleşimleri için aday görüyor.

Ay'da sorun, uçurum gibi sıcaklık farkı

NASA'nın verilerine göre Ay yüzeyi tam güneş altında yaklaşık 127 °C'ye ısınıyor, karanlıkta ise eksi 173 °C'ye kadar soğuyor. Ay'ın soluduğumuz türden bir atmosferi yok; yalnız ekzosfer denen, son derece seyrek bir gaz örtüsü var. Havasız ortamda ısı hava akımıyla taşınamaz; yalnız ışınımla ya da birbirine değen yüzeyler üzerinden iletimle yol alır. Bu yüzden Ay'da bir yaşam alanını korumak, Dünya'daki bir evi yalıtmaktan çok farklı bir iş.

Uzayda bugün kullanılan iki yaygın çözümün de zayıf yanı var. Penn'in açıklamasında hatırlatıldığı gibi aerojeller büyük bölümü boşluktan oluşan, hafif ve çok iyi yalıtan malzemeler, ama mekanik hasara karşı savunmasızlar. Çok katmanlı yalıtım (MLI) ise yansıtıcı filmlerin aralarına yalıtkan ayırıcılar konarak dizilmesiyle yapılıyor. Işınımla ısı geçişini çok iyi kesiyor, ancak yük taşımak için tasarlanmadığından dokunulduğunda kolayca yırtılıyor.

Çalışmanın kıdemli yazarı, makine mühendisliği bölümünden Doç. Dr. Igor Bargatin sorunu şöyle özetliyor: "Ay altyapısı için ideal olarak ikisini birden isteriz. İdeal malzeme hem hasara hem de ısı kaybına dayanıklıdır." Bargatin'e göre bu yığınlar bir Ay yaşam alanını yalıtmak için kullanılabilir, ama astronotların zaman zaman bunlara çarpması gibi küçük kazalar kaçınılmaz olacak.

Ezildi ama yalıtmayı bırakmadı

Ekip farklı kalınlıklarda Mylar filmler denedi; bazılarını sertliği artırmak için alümina olarak da bilinen alüminyum oksitten son derece ince bir tabakayla kapladı. Araştırmacılara göre vakumdaki ölçümlerde malzemenin yalıtım başarımı, yüksek performanslı başka vakum yalıtım teknolojileriyle kıyaslanabilir düzeyde çıktı ve yığınlar bu sırada esnekliğini korudu.

Asıl sınav sıkıştırma testiydi. Örnekler yaklaşık 20 megapaskal basınç altında ezildi; Penn'in benzetmesiyle bu, yaklaşık 90 kilogramlık bir yükü bir parmak ucu kadar alana yığmaya denk. Çalışmanın ilk yazarı, Penn'de kimya doktorasını yeni tamamlayan Danielle R. Levin, malzemenin böyle bir yük altında bozulmasından endişe ettiklerini anlatıyor: "Ama yığınlar yalnız bir yüksek basınç döngüsünü atlatmadı, art arda 10 döngüye dayandı." Levin'e göre ısıl ve mekanik dayanıklılığın bir arada olması, Ay'da uzun süreli kullanım için kritik.

Isının gizli yolu: yapışmayı önleyen tozlar

Çalışmanın beklenmedik bulgusu, ticari Mylar'ın içindeki mikroskobik parçacıklarla ilgili. Üreticiler bu "yapışma önleyici" parçacıkları, film tabakaları üretim sırasında birbirine yapışmasın diye ekliyor. Ekip, vakumda ısının katmanlar arasında büyük ölçüde tam bu parçacıkların komşu filme değdiği noktalardan geçtiğini buldu. Yani yığının ne kadar iyi yalıtacağını, filmin kendisi kadar bu küçük temas noktalarının dağılımı da belirliyor.

Levin bunu "Katmanları sıkıştırdıkça temas manzarası değişiyor" diye anlatıyor. Bu da malzemeyi iyileştirmenin film kalınlığı, sertlik ve parçacık dağılımı arasında bir denge kurmak anlamına geldiğini gösteriyor.

Apollo'dan tanıdık bir malzeme

Mylar, Ay için yeni bir malzeme değil. NASA'nın 1972'de yayımladığı Apollo deneyim raporuna göre astronotların Ay yüzeyine bıraktığı ALSEP deney paketlerinin merkez istasyonundaki elektronik aksam, aralarına cam elyafı ayırıcılar konmuş 40 kat alüminyum kaplı Mylar ile sarılıydı. Bu, bugünkü çok katmanlı yalıtımın mantığıydı: ince yansıtıcı katmanlar ısının ışınımla kaçmasını engelliyor, ama yük taşımak bu katmanların işi değildi. Penn'in yaklaşımındaki fark, yığının kendisinin hem yalıtkan hem de taşıyıcı olması.

Sınırlar: bir santimetrekareden metrelere

Malzeme henüz laboratuvar aşamasında. Elle dizilen örnekler yaklaşık bir santimetrekare büyüklüğünde ve her biri saatler alıyor. Levin, "Şu an süreç çok zaman alıyor. Narin filmleri tutmak ve dizmek için iki çift cımbız ve küçük ağırlıklar kullanıyoruz" diyor. Bir yaşam alanında işe yarayacak metre boyutunda levhalar için başka üretim yöntemleri gerekecek. Ekip, büyük Mylar rulolarını sürekli kaplayıp ardından yığın halinde sarmak gibi tekniklerin yeterli olabileceğini düşünüyor.

Duyuruda malzemenin gerçek Ay koşullarında, örneğin aşındırıcı Ay tozu ya da yıllarca süren gece-gündüz döngüleri altında sınandığına dair bir bilgi yok. Çalışma ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF) ve Penn Mühendislik Fakültesi tarafından desteklendi.

Ay'da kalıcı bir üs kurma hazırlıkları, enerjiden araçlara kadar pek çok alanda sürüyor. Üssü ısıtacak ve aydınlatacak sistemleri MULE reaktörü ve eksi 80 derecede sınanan pil hücreleri yazılarımızda anlatmıştık. Bu sistemlerin ürettiği ısıyı içeride tutmak da en az onlar kadar önemli olacak. Açık soru, cımbızla dizilen bu küçük örneklerin bir gün bir yaşam modülünü saracak boyuta ulaşıp ulaşamayacağı.