تکنولوژی نانو در صنایع هوا فضا

دانش هوافضا یکی از دانش‌هایی است که از سامانه‌های سریع‌تر و فشرده‌تر و سامانه‌های خودکار استقبال می‌کند. وسایل نقلیه هوایی و فضایی، وسیله‌های اکتشاف فضایی و هواپیماهای جاسوسی، نمونه‌هایی هستند که به چنین سامانه‌هایی نیاز دارند. با جادادن سامانه‌های الکترومغناطیسی در ساختاری به ابعاد نانو، برای ماهواره‌هایی که در اطراف زمین در حال گردش هستند و با جستجوگران سیاره‌ها در فضا با هزینه‌های کم‌تر، کاربرد بیش‌تر از نتایج بکارگیری این فناوری است.
بسیاری از کشورهای پیشرفته و برخی از کشورهای در حال توسعه، سرمایه‌گذاری‌های زیادی در کاربرد فناوری نانو در صنعت هوافضا انجام داده‌اند.
می‌دانیم که محیط فضا به دلیل فعل و انفعالات خاصی که در آن صورت می‌پذیرد، شرایط ویژه‌ای را ایجاد می‌کند که نگرانی‌هایی نیز در پی خواهد داشت. فعل و انفعالاتی که در سطح خورشید و سیاره‌ها و ستاره‌ها اتفاق می‌افتد موجب آن می‌شود که سطح بالایی از تشعشعات در فضا تولید شوند. این تشعشعات در مخابره امواج رادیویی و شبکه‌های برق کره زمین اختلال به وجود می‌آورند. حتی در برخی موارد موجب واپاشی مدار ماهواره‌ها می‌گردد. این تشعشعات برای فضانوردان و تجهیزات فضایی نیز مشکلاتی به وجود می‌آورد. به ویژه آن دسته از فضانوردانی که مدت‌های طولانی در فضا می‌مانند، در معرض بیماری‌های گوناگون قرار می‌گیرند. با استفاده از نانوفناوری امکاناتی به وجود آمده که قادر است اکثر این مشکلات را حل نماید. نانوفناوری پزشکی و درمانی نیز برای فضانوردان تسهیلات ویژه‌ای فراهم نموده‌است. شناسایی منظومه شمسی به کمک نانوفناوری بسیاری از مجهولات جهان علم را کشف خواهد کرد و این در صورتی قابل اجراست که تعداد بی‌شتری فضاپیمای کم هزینه، با وزن سبک و امکانات بیش‌تر تولید و به فضا پرتاب شوند.
در آینده نه چندان دور، حسگر‌هایی به اندازه مولکول ساخته خواهند شد. به محض مشاهده کوچک‌ترین علائم بیماری، حتی قبل از بروز علائم ظاهری، سلول‌های بدن فضانوردان توسط همین ریز حس‌گرها برانگیخته خواهند شد. نانوفناوری پزشکی و درمانی نیز برای فضانوردان تسهیلات ویژه‌ای فراهم نموده‌است. یکی از هدف‌های مهم و اصلی، افزایش امکانات فضا ،هواپیماها و کاهش وزن سامانه‌های فضایی است. ساخت فضاپیماهای سبک، قوی و مقاوم در برابر تشعشعات فضایی با چنین موادی امکان‌پذیر شده‌است.
فناوری نانو در ماموریتهای فضایی آینده نقش مهمی خواهد داشت. نانو حسگرها، موادی بسیار بهبود یافته با عملکرد بالا، یا سیستمهای پیشران بسیار کارآمد، تنها نمونه ای از کاربرد فناوری نانو میباشند.
حفاظت در برابر تابش از کاربردهای اساسی فناوری نانو در سفرهای فضایی می باشد. به گفته دانشمندان ناسا، خطر قرار گرفتن در معرض تابشهای فضایی مهمترین عامل محدود کننده طول مدت سفرهای فضایی است و لذا هم اکنون تحقیقات فراوانی به طور خاص در این زمینه در حال انجام است
طراحان سفینه های فضایی به این منظور و نیز رفع مشکلاتی مانند بی وزنی و دوام سا ختار، به دنبال موادی هستند که بتواند به آنها در توسعه وساخت روکش چند کاره بدنه سفینه های فضایی ( نانو حسگرهایی که بتواند حفاظت موثری دربرابر تابشهای فضایی ایجاد کرده و ذخیره انرژی خوبی هم داشته باشد) کمک نماید و به نظر دانشمندان نانومواد پیشرفته ای مانند نانولوله های ایزوتوپی غنی شده با بورمیتواند برای این منظور کاملاً مناسب باشد.
تابشهای فضایی به لحاظ کمی کاملاً با آنچه بشر در روی زمین با آن مواجه است تفاوت دارد.
یک فضانورد به محض خروج از میدان مغناطیسی و اتمسفر محافظ زمین، در معرض تابشهای یونیزه کننده ای به صورت ذرات اتمی باردار که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند قرارمیگیرد. این ذرات پر انرژی (HZE ) دارای بار زیادی بوده و بیشترین خطر را برای انسان در فضا دارند.
قرار گرفتن طولانی مدت در برابر این تا بشها موجب آسیب دیدن DNA و بروز سرطان میشود. بور 10 یکی از مواد محافظی است که دانشمندان مشغول بررسی قابلیت آن هستند..
در واقع دانشمندان از دهه 1930 نسبت به توانایی این ماده در بدام اندازی نوترونها آگاهی داشتند و در شمارشگر گایگر از آن بعنوان محافظ تابش و نیز لایه محافظ راکتورهای هسته ای استفاده می نمودند.
بور یک عنصرشیمیایی غیر فلزی با کاربردهای متنوع است و از آن به صورت ناخالصی در صنعت نیمه هادیها استفاده میشود. شکل ترکیبی آن هم در مواد نوری سا ختاری، آفت کشهای غیرسمی، مواد نگهدارنده و سنتز معرفها ی شیمیایی نقش مهمی دارد
نانولوله های بور به دلیل داشتن ساختاری مشابه با نانولوله های شناخته شده کربنی ها بسیاری ازخواص عالی آنها را داشته و حتی نسبت به آنها از برخی خواص بهتری ( مانند پایداریشیمیایی بالا، مقاوت اکسیداسیون بالا در دماهای بالا )داشته و یک نیمه هادی پایداربا شکاف باندی پهن به شمار می آیند. به همین دلیل میتوان آنها را به صورت روان کننده جامد در کاربردهای دما بالا یا محیط های خورنده ای مانند باتریها، پیلهای سوختی، ابر خازنها و ماشینها ی پر سرعت بکار برد.
غنی سازی ایزوتوپی درواقع به معنای ایجاد غلظت بیشتری ازنیترید بور10 است، زیرا به طورعادی غلظت نیترید (بور 11 ) بیشتر - حدود هشتاد درصد یا بیشتر -  است.
این محققان برای اولین بارموفق شدند ترکیبی با بازدهی بالا و به مقدار زیاد از این نانولوله ها را ، بااستفاده از روش آسیاب توپی یا فرآیند گداخت تولید نمایند.
 
از جمله کاربردهای ویژه این ماده میتوان به موارد زیراشاره نمود:
** حفاظت در برابر تابش، مواد چندکاره برای ذخیره انرژی، حفاظت محیط زیست، صنایع هسته ای، حسگرها و نیز بدنه خارجی سفینه های فضایی، و تشخیص و درمان سرطان..
** تولید انبوه نانولوله های خالص بور از جمله مشکلات عمده تحقق کاربردهای آینده آن مانند حفاظت تابشی می باشد ؛ چراکه این کار مستلزم مقادیر زیادی از این ماده است. دانشمندان با استفاده از این روش جدید توانسته اند به این هدف دست یافته و حتی هم اکنون فروش نانولوله های بور را هم آغاز کرده اند.
** فن آوری نانو، انقلابی در سیستم های هواپیمایی
** فن آوری نانو منجر به ایجاد انقلابی در فن آوری ”دستگاههای خودکار و هوشمند هواپیما”‌ شده است که به کاهش مصرف سوخت و افزایش ایمنی هواپیما کمک شایانی می نماید.
پیش بینی می شود این فن آوری به سنسور های بی سیمی تبدیل شوند که روز به روز کوچکتر می شوند به طوریکه که در سال 2020 با استفاده از این فن آوری مهندسین فضا قادر به جای دادن آن ها در اجزا و یا ساختارلایه های جو خواهند بود.
این فن آوری که به "ذرات هوشمند" معروف است، حاکی از انقلابی در سیستم های هواپیمایی هستند که از هر نقطه هواپیما، بین سیستم بخش های بین سیستم های مختلف هواپیما ارتباط برقرار می کند.
دکتر "دیوید یاکوبسن" مدیر تکنولوژی های در حال ظهور شرکت PwC  در این باره می گوید:  
پشتیبان های لایه ای احتمال خرابی نرم افزارها یا سنسورها که سبب خاموش شدن هواپیما در شرایط بحرانی پرواز می شود را پایین می آورد بدون اینکه وزن اضافه ای به هواپیما تحمیل کند.
گفته وی بدین معنی است که هواپیما می تواند با ایمنی بیشتر و مصرف سوخت کمتر پرواز کند.
او افزود: ایده اصلی این فن آوری، توسعه گرایش فعلی در طراحی سیستم های هوایی به سوی کنترل دارای قابلیت انطباق پذیری در هواپیماست که این امر با افزایش چشمگیر سنسورهای فشرده که به منظور بهبود عملکرد در سیستم های کنترل سیمی هواپیما توزیع شده است، محقق می شود . این فن آوری به صورت هوشمند کنترل هواپیما را آنگونه که مطلوب خلبان است تنطیم می کند.
 دکتر"یاکوبسن " در این باره می گوید: دستیابی به فن آوری ذرات هوشمند به پیشرفت مولفه های الکترونیک بستگی دارد که تابعی از "قانون مور"هستند، اصلی که می گوید تعداد ترانزیستورهایی که جایگزین مدارهای پیوسته دوتایی در هر دو سال می شوند، به شکل یک تابع نمایی است که بیش از 40 سال است که حفظ شده است.
وی افزود: بسیاری از کارشناسان بر این باورند که "قانون مور" در سال 2020 با ایجاد الکترونیک مبتنی بر سیلیکون دچار محدودیت خواهد شد.اما وی بر این باور است که این پیشرفت هاکه مرهون فن آوری نانو هستند با ورود مواد جدید مانند پلیمرهای نیمه رسانا که به "پلاستیک هوشمند" معروف هستند و گرافن ها (که به طورکامل شرح دادیم) ادامه خواهد اشت.
در مجموع فن آوری نانو با دستکاری مواد در مقیاس های مولکولی –اتمی و یا حتی اندازه های بسیار کوچکتر از آن، نوید بخش پیشرفت تاز ه ای در مواد جدید با ترکیبات خاصی است.
 دکتر "یاکوبسن" همچنین انتظار دارد انقلابی در مانورهای مخفی هواپیما های نظامی رخ دهد که این موضوع مدیون ترکیبات حاصل از فن آوری نانو و تکنیک های لیزر می باشد.
فن آوری نانو و سطوح آن متغیرند و الگوهای خود را برحسب سیگنال های ارسالی از زمین و رادارهای جستجو گر تغییر می دهند.
این مسئله که کاربردهای فناوری نانو همراه با هزینه کمتر، دوام و عمر بیشتر، مصرف انرژی پایین‌تر، هزینه نگهداری کمتر و خواص فیزیکی بهتر است، از جمله دلایل جذابیت فناوری نانو برای صنایع هوافضا در حوزه‌های مختلف از جمله هوانوردی تجاری، حمل ونقل هوایی، هواپیماهای نظامی، بالگردها، ماموریت‌های فضایی، هواپیماهای بدون سرنشین و غیره می‌باشد. به همین دلیل رویکرد جدید و اولویت بسیاری از مراکز تحقیقاتی در ارتباط با فناوری نانو است.
حوزه مواد، از مباحث اولیه در اکثر صنایع می باشد اما در صنایع هوافضا به عنوان شاخص اصلی نیز قابل طرح است. زیرا کاهش وزن همزمان با حفظ یا افزایش خواص مواد باعث برتری یک محصول هوایی می‌شود چه در بازار تجاری و چه در مباحث دفاعی و نظامی، بنابراین نانو مواد با افزایش خواص مواد در آینده تأثیر زیادی را بر این صنعت خواهد گذاشت. فناوری نانو از فناوریهایی است که از آن به عنوان عامل تغییر در روش تولید مواد یاد می‌شود. تولید سبکتر ، قوی‌تر که دارای عمر مفید طولانی نیز هستند حاصل این فناوری است.
از جمله دلایل جذابیت فناوری نانو برای صنایع هوافضا در حوزه‌های مختلف از جمله هوانوردی تجاری، حمل ونقل هوایی، هواپیماهای نظامی، بالگردها، ماموریت‌های فضایی، هواپیماهای بدون سرنشین و غیره می‌باشد. به همین دلیل رویکرد جدید و اولویت بسیاری از مراکز تحقیقاتی در ارتباط با فناوری نانو است
فرض کنید بدنه هواپیما با استفاده از نانو مواد ضمن بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی، وزنی نصف بدنه های فعلی داشته باشد. در این صورت یک جهش در اقتصاد هوایی رخ خواهد داد زیرا مصرف سوخت کم شده و برد آن به صورت قابل ملا حظه ای افزایش می یابد. در قسمتهای دیگر هم به همین ترتیب ،‌موتور هواپیماها با استفاده از نانومواد علاوه بر بازدهی بهتر قدرت پیشرانه بیشتری را هم تولید خواهند کرد. استفاده از نانومواد در پره توربین ها امکان کار در دمای بالاتری را می دهد. نانومواد وزن بدنه موتور را کاهش می دهندو روانکاری توسط روغنهای نانویی بهتر صورت می پذیرد.
در موشکها و فضاپیماها موادنانویی باعث کاهش وزن قابل توجهی خواهند شد. این فناوری در آینده موجب بهبود نسبت وزنی محموله های فضایی به وزن موشک پرتاب‌کننده خواهد شد.
بهبود این نسبت، به 9 برابر مقدار کنونی بسیار قابل توجه خواهد بود یعنی می توان وزنی معادل 3 برابر موشک را به عنوان محموله به فضا پرتاب کرد که این به معنای کاهش فوق‌العاده در قیمت تمام شده پرتاب خواهد بود که باعث رونق بیش از پیش ماهواره ها و سفرهای فضایی خواهد شد. ضمن اینکه صرفه جویی وزنی در خود محموله های فضایی که عموماً ماهواره ها هستند با استفاده از نانومواد تأثیر مضاعفی در این صنعت خواهد داشت. هم اکنون در بسیاری از ماموریت‌های دوردست از یک موشک پیشران برای رسیدن به مدار مورد نظر استفاده نمی‌شود بلکه از چند موشک و در چند مرحله برای تامین نیروی پیشران استفاده می‌شود. به این ترتیب که موشک مرحله اول پس از اتمام سوخت، جدا شده و موشک مرحله بعدی وظیفه تامین نیروی پیشران را بر عهده می‌گیرد که این کار به علت کاهش هزینه‌ها و بعضی دلایل دیگر صورت می‌پذیرد اما فناوری نانو با صرفه‌جویی وزنی نیاز به پیشران‌های چند مرحله‌ای را کاهش می‌دهد و از این طریق نیز هزینة ماموریت‌های آتی فضایی را کاهش خواهد داد. در پروژه های فضایی مثل ایجاد اقامتگاههای فضایی نیز نانومواد نقش مؤثری داشته و قابلیت زیستن در فضا را افزایش خواهند داد.
پژوهش فناوری نانودر ناسا
در سالهای اخیر مرکزهای پژوهشی فراوانی در موضوع بکار گیری فناوری نانو در صنعت هوا - فضا به ویژه در ناسا بوجود آمده است.
بخشهای پژوهشی فناوری نانو در ناسا و سرمایه‌های مربوط به آن شامل موارد زیر است:
* تحقیقات در زمینه ی مواد توسط آزمایشگاهی لانگلی با سرمایه گذاری 11 میلیون دلار
* تحقیقات ر زمینه ی الکترونیک و داده پردازی توسط آزمایشگاه ایمز با سرمایه گذاری 15 میلیون دلار
* تحقیقات در زمینه ی حسگرها و اجزا توسط آزمایشگاه رانش جت با سرمایه گذاری 10 میلیون دلار

بسیاری از مطالعات فناوری نانو درناسا دارای هدف بلند مدت می‌باشد. یکی از هدفهای مهم و اصلی ، افزایش امکانات فضاپیما و کاهش وزن سامانه‌های فضایی است. در صورتی که کارآیی این دستگاهها با کاربرد فناوری نانوبالاتر رود، مشکلات بیشتری در زمینه فضا حل خواهد شد. ناسا سعی کرده است که با راهبردی موسوم به پایین به بالا(در این رویکرد، محصول از طریق کنار هم قراردادن مواد ساده‌تر به وجود می‌آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن. در حقیقت کاری که در اینجا انجام می‌شود، کنار هم قرار دادن اتم‌ها و مولکول‌ها برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید که قادریم اتم‌ها و مولکول‌ها را به طور واقعی ببینیم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهیم تا شکل مورد نظر حاصل شود. معمولاً روش‌های پایین به بالا ضایعاتی  ندارند.)
روی این فناوری سرمایه گذاری کندپژوهش در زمینه فناوری نانودر ناسا که آزمایشگاههای گوناگونی برای آن ایجاد شده دارای بخشهای ویژه‌ای است که مهمترین آنها عبارتند از:
*نانومواد: موادی با قدرت بسیار بالا و قابل برنامه ریزی
* نانو الکترونیکها ،داده پردازی ، سامانه‌های ارتباطی با مصرف انرژی کم
* نانو ابزارها برای کوچک سازی سامانه‌های فضایی
* نانو فناوری زیست مولکولی ، برای زیست درمانی و درمان فضانوردان و...
 
نمونه‌های بکار گیری نانو فناوری در هوا - فضا
با کمک نانو فناوری ، سامانه‌های ویژه ای ایجاد شده و دستگاههای جدیدی ساخته شده‌اند که هر کدام به عنوان راه حلی یا چند مشکل دیرینه موجود در صنعت هوافضا به حساب می‌آیند. برای شناخت بیشتر دستگاهها و فناوریهای بکار رفته در آنها به بررسی چند مورد می‌پردازیم.
 
پیلهای سوختی
باتری ها وپیل های سوختی به عنوان مولد های ساکت انرژی مطرح هستند.باتری های لیتیوم یونی باتری هایی هستند که انرژی بسیاربالاتری رانسبت به باتری های معمول ذخیره می کنند ومی توانند بارها شارژشوند.این باتری ها درزمان نگه داری به مقدار خیلی کمی خالی می شوند.
برای تامین کل یک هواپیمای بدون سرنشین درهوا باید باتری ها را با هم سری یا موازی کردوازتوان جمع آن ها بهره برد.مشکل باتری ها وزن بسیار بالای آن ها برای مقادیر بالاتر انرژی است ،لذا کارایی باتری برای انرژی های بالا بسیار کم است وفقط جهت تامین برق درموارد خاص ازآن استفاده می شود.پیل های سوختی توان تولید انرژی بیشتری دارند،اگر یک هواپیمای بدون سرنشین با دونیروی محرکه باتری وپیل سوختی مقایسه شود پیل سوختی توانسته مدت پرواز رااز 5/2ساعت به 10 ساعت تبدیل کند.
پیلهای سوختی سامانه‌هایی هستند که به علت دارا بودن توانایی ذاتی خاص و فشردگی و کم حجم بودن به عنوان یکی از روشهای کار آمد برای تبادلهای انرژی شیمیایی در فضا مطرح می‌باشند
پیلهای سوختی سامانه‌هایی هستند که به علت دارا بودن توانایی ذاتی خاص و فشردگی و کم حجم بودن به عنوان یکی از روشهای کار آمد برای تبادلهای انرژی شیمیایی در فضا مطرح می‌باشند. به علت عملکرد پاک این پیلها ، سرمایه گذاریهای زیاد برای تولید آنها انجام شده است. البته این پیلها کاربردهای دیگری نیز در وسایل نقلیه فضایی مثل تولید الکتروشیمیایی اکسیژن در ایستگاههای فضایی دارند.
 نانو ماهواره‌ها
همانطور که پیش از این توضیح داده شد محیط فضا به گونه‌ای است که تشعشعهای صادر شده از آن ، به ویژه برای دستگاهها و انسانهایی که برای مدت طولانی در فضا می‌مانند زیان بار است. حتی مشکلات بیش تری هم وجود دارد که نانوفناوری ماهواره در حل این مشکلات نقش مهمی بازی می‌کند. ماهواره ژنست-1 یک نانو ماهوره است که وزنی حدود 10 کیلوگرم دارد و از سه ماهواره مکعبی کوچکتر متصل به هم ساخته شده است. این ماهواره بسیار کوچک ، سریع و ارزان کارش مقابله با اثرات زیستی فضا است. نانوماهوره ژنست-1 در حال ساخت است و به زودی پرتاب خواهد شد. ناسا برای تولید این نانو ماهواره در 2.5 سال گذشته حدود 6 میلیون دلار هزینه کرده است.