Rymdtillämpningar ställer en rad mycket höga krav på de material som används i olika delar av ett system. Detta på grund av att rymdtillämpningar innebär en miljö som innefattar flera utmanande påfrestningar för ingående material. Använda material måste exempelvis kunna tåla den hårda mekaniska påfrestning som orsakas av rymddamm, mikrometeoriter och rymdskrot. Dessutom kännetecknas rymdtillämpningar av stora temperaturvariationer mellan solbelysta delar och delar i skugga. Materialen måste därför vara termomekaniskt stabila. Ingående material måste även vara anpassade för att inte orsaka bränder samtidigt som de ska vara så lätta som möjligt. Det senare för att inte orsaka onödigt höga kostnader genom att öka vikten på systemen i onödan.

Ett ytterligare krav i rymdtillämpningar är att ha material med låg så kallad avgasning (eng. outgassing) som möjligt. Avgasning innebär att inneslutna gaser i material kan börja läcka när det utsätts för vacuum i rymdtillämpningar. Avgasning kan innebära att materialegenskaperna försämras på ett oönskat sätt samtidigt som avgasningsprodukter kan hamna på andra systemdelar såsom optiska delar i exempelvis kameror. Det är således flera samtidiga höga krav som ställs på dessa material.

För att möta dessa höga krav så går artikeln igenom några material som bedöms som nyckelmaterial och där en utveckling pågår. Artikeln belyser bland annat självläkande polymerer, eldfasta och temperaturtåliga material, självrengörande material, multifunktionella kolfiberkompositer samt material för elektromagnetisk skärmning. Skärmningsmaterial för EMC är mycket viktiga i rymdtillämpningar för att inga EMC-problem skall uppstå i den elektromagnetiska miljö av olika slag som förekommer i rymdtillämpningar.

 Fyra grupper av material under stark utveckling och som samtidigt har goda egenskaper för elektromagnetisk skärmning belyses särskilt i artikeln:

• Kolfiberbaserade material
• Polyamider
• MXener
• Kiselkarbidskum

Dessa materials skärmningsegenskaper har typiskt undersökts för frekvenser högre än 1 GHz så de siffror på skärmningseffektivitet som återges nedan är för några GHz eller några tiotals GHz. Den som vill veta mer detaljer om siffrorna rekommenderas att läsa [1].

Kolfiberbaserade material

Kolfiberbaserade material har goda elektromagnetiska skärmningsegenskaper för högre frekvenser som exempelvis mikrovågsområdet. Genom att kombinera flera olika lager material så kan de elektromagnetiska skärmningsegenskaperna förbättras på grund av multipla interna reflektioner i materialet. Samtidigt har dessa material låg vikt, goda mekaniska egenskaper liksom stabila termiska och kemiska egenskaper. Dessutom är de ofta tåliga med avseende på brandrisker vilket sammantaget gör dem till utmärkta kandidater som elektromagnetiska skärmningsmaterial i rymdtillämpningar. Ytterligare förbättringar av de elektromagnetiska skärmningsegenskaperna har setts om man kombinerar grafen och reducerad grafenoxid (rGO) i kolfiberstrukturer. Här finns exempel på en uppnådd skärmningseffektivitet upp till 53 dB [1].

Aerogel är en grupp material med låg densitet och hög porösitet. Genom att blanda in kolfiber eller grafenoxid kan skärmningseffektiviteten ökas. Det finns exempel på aerogel med en tjocklek på 2 mm som har en genomsnittlig skärmningseffektivitet på 31,2 dB. Genom att tillföra epoxyharts till en aerogel så har en skärmningseffektivitet på 51 dB erhållits [1].

Polyamider

Polyamider är en sorts plastmaterial med låg densitet och hög termisk stabilitet vilket gör att de är vanligt förekommande i rymdtillämpningar. Av det skälet är det naturligt att undersöka om polyamider kan modifieras för att även erhålla goda elektromagnetiska skärmningsegenskaper. Polyamider är elektriskt isolerande i sin grund men genom att lägga in elektriskt ledande nanopartiklar så kan man åstadkomma goda elektromagnetiska skärmningsegenskaper. Genom att blanda in kol i polyamider så har en skärmningseffektivitet i intervallet 24 – 51 dB påvisats [1].

MXener

 MXener är tvådimensionella material som består av en metall i kombination med antingen kol- eller kväveatomer och har metalliska ledningsegenskaper samt låg densitet. MXener har endast ett eller ett par atomlager i tvärsnitt och får då speciella egenskaper. Sådana egenskaper är exempelvis god förmåga att leda elektricitet, hög hållfasthet och värmetålighet. Artikeln pekar ut MXener som framtidens material för elektromagnetisk skärmning genom möjligheten till ultratunna skärmningsskikt som samtidigt har mycket god elektromagnetisk skärmning. Genom möjligheten att kombinera olika material i dessa ultratunna skikt så kan elektromagnetiska skärmningsegenskaper i princip skräddarsys för olika tillämpningar.

Som exempel har en skärmningseffektivitet på 92 dB uppmätts i ett material med en tjocklek av 45 mikrometer [µm]. Ett exempel med en tjocklek på 2,5 mikrometer visar en skärmningseffektivitet på över 50 dB [1]. MXener kan även kombineras med andra material för att göra kompositstrukturer. Genom att kombinera en MXen med en epoxyharts har en skärmningseffektivitet på 41 dB uppmätts. Ett annat exempel är där man blandat in både kol och metallstrukturer vilket gett ett material med mycket goda termiska egenskaper, låg densitet och samtidigt tåligt mot brand. Detta tillsammans med en skärmningseffektivitet upp till 71,3 dB [1].

Kiselkarbidskum

Kiselkarbid (SiC) kan tillverkas om ett keramiskt skum med en rad tekniktillämpningar. Dessa material är termiskt och mekaniskt tåliga samtidigt som de är lätta och har god motståndskraft mot oxidation. Samtidigt uppvisar de hög stabilitet vid mycket höga temperaturer. De kan även produceras med goda elektromagnetiska skärmningsegenskaper. Genom att blanda in exempelvis nanorör av kolfiber eller genom att blanda in grafen så kan god elektromagnetisk skärmning uppnås. Skärmningseffektivitet upp till 24 dB har uppmätts i sådana material [1].

Nyutveckling inom material för elektromagnetisk skärmning är således ett av flera nyckelområden som påverkas av de ökade satsningarna inom rymdområdet. Innovationer inom dessa tillämpningar kommer troligen att kunna nyttjas inom andra teknikområden där krav såsom hög hållfasthet, temperaturtålighet, låg densitet, tålighet mot brand med mera är viktiga tillsammans med god elektromagnetisk skärmverkan.

[1] J. C. Ince et al, ”Overview of emerging hybrid and composite materials for space applications,” Advanced Composites and Hybrid Materials (2023).