火星之旅万能化学材料——离子液体
NASA马歇尔航天飞行中心的科学家和工程师采用国际空间站数据,研究可用于制造深空探索工具的液体。
近十年来,国际空间站材料试验(MISSE)一直在空间站外部开展,超过4000种材料暴露在太空环境中,其中包括一种特殊液体,称为离子液体,以及一种新型环氧树脂。这类液体都具有低熔点、不易燃特性,蒸汽压极低,因此不易挥发,利于保留在真空环境中。马歇尔航天飞行中心材料科学家Laurel Karr介绍,根据这些独特的化学属性,研究人员可利用离子液体从月球或火星土壤中以烤蛋糕的温度提取金属和氧气,所提取的金属再通过3D打印技术制造可用部件,氧气可用于生命维持与飞行器推进。离子液体还可作为化学钻头溶解火星表面风化层,延长钻头寿命。钻取的样本可在液态形式下当场进行化学分析研究。
除此之外,这类液体还是环保的化学物质。采用这类液体的金属提取工艺可从矿石内去除重金属,且不对环境造成影响,这是目前一些地球上处理方式所无法实现的。例如镍的传统处理方式是在1350℃下使用硫酸进行熔炼,这在密闭的太空飞行环境下是不可行的,因为酸具有毒性。离子液体可在200℃去除陨石中的镍。
科学家还试验利用离子液体提取空气中的二氧化碳,再分解制造氧气和甲烷。很多离子液体可通过电解和氢气进行过滤及再制,使其成为太空和地球上有用的可回收材料。
马歇尔航天飞行中心材料科学家Richard Grugel及其团队系统地研究了一种离子液体,称为环氧树脂,可与碳纤维紧密结合,抵御液体氧气和氢气的极端温度。
2013年,MISSE-8对2种不同的离子液态环氧树脂进行试验,暴露在太空环境下2年时间之后,搭载Space X返回地球。样本经检查后发现,经过太阳紫外辐射,液体样本有些变黑,但没有开裂或分离,也没有质量变化或粘附现象。
由此可见,环氧树脂可用于制造碳纤维复合材料低温液体贮存罐,可取代航天器发射时采用的铝罐,大大减轻重量。
微裂缝可导致泄露,是早期复合低温贮存罐设计的一大挑战。马歇尔航天飞行中心正在就采用了离子液体环氧树脂的复合材料外包装压力容器进行试验,验证离子液体是否能够用于贮存罐制造与优化。
2013年附着于国际空间站外部的MISSE-8试验样本托盘,托盘上的离子液体环氧树脂样品有助于构建复合低温贮罐,可应用于未来航天飞行