스탠포드와 UC 버클리, 우주에서 우수한 그래핀 에어로겔 생산을 위한 연구에 협력

NASA 우주 비행사 Woody Hoburg는 우주에서 그래핀 에어로젤을 합성하는 것을 목표로 하는 스탠포드 대학의 실험을 진행하고 있습니다.

미디어 크레디트: NASA의 이미지 제공

2023년 8월 24일

월롭스 비행 시설(VA), 2023년 8월 24일 – 그래핀 에어로겔은 단열성과 전기 전도성을 모두 갖춘 놀라운 경량 소재입니다. 이는 배터리의 향상된 에너지 저장에서부터 향상된 기름 유출 청소 방법, 차세대 우주복에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용하기에 매력적입니다. 스탠포드 대학과 캘리포니아 버클리 대학의 연구진은 국제 우주 정거장(ISS) 국립 연구소를 활용하여 지구에서 가능한 것보다 더 높은 품질의 그래핀 에어로겔을 생산하고 있습니다.

이번 주에 우주정거장에 탑승한 Crew-6 우주비행사들은 미국 국립과학재단(NSF)의 자금 지원을 받아 팀의 조사 작업을 완료했습니다. 결과는 그래핀 에어로겔 합성의 기본 물리학에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 새로운 소재 제품의 개발로 이어질 수 있습니다.

스탠포드 연구 엔지니어인 제시카 프릭(Jessica Frick)은 “우주정거장의 미세중력 환경을 통해 우리는 지금까지 접근한 적이 없는 완전히 새로운 재료 과학 분야를 열 수 있습니다.”라고 말했습니다.

Frick은 스탠포드 극한 환경 마이크로시스템 연구소(XLab)의 일원입니다. 스탠포드 항공학 부교수인 Debbie Senesky가 고안한 XLab은 우주와 같은 극한 환경에서 작동할 수 있는 작지만 견고한 전자 장치를 만드는 데 중점을 둡니다. 우주 정거장에 대한 조사를 위해 Frick과 Senesky는 화학 및 생체분자 공학 교수인 Roya Maboudian이 이끄는 UC Berkeley의 연구 그룹과 협력하고 있습니다. 연구팀은 그래핀 에어로겔의 특성과 미세중력이 그 특성에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하는 것을 목표로 하고 있습니다.

미세 중력에서 그래핀 에어로겔 합성의 첫 번째 단계를 수행할 조사는 Northrop Grumman의 19차 상업 재공급 서비스 임무(NG-19)에서 시작되었습니다. 결과는 미래의 우주 제조 및 심우주 임무에 영향을 미칠 수 있습니다.

이 조사의 목적은 여기에서 볼 수 있는 샘플과 유사한 그래핀 에어로겔 샘플을 생산하는 것입니다.

미디어 크레디트: 이미지 제공: Jessica Frick, Stanford University

그래핀 에어로겔을 생산하는 것은 2단계 공정으로 이루어집니다. 첫 번째 단계는 Jell-O를 만드는 것과 매우 유사합니다. 연구팀은 젤리오(Jell-O)를 만들기 위해 젤라틴 분말과 뜨거운 물을 섞는 것처럼 산화 그래핀 플레이크를 수용액에 결합했습니다. 그래핀 산화물 용액 샘플은 우주정거장으로 보내졌습니다. 이번 주 초, 승무원들은 샘플을 용광로에 넣었고, 여기서 용액은 가열되어 그래핀 하이드로겔을 형성하게 됩니다. 이 과정은 몇 시간이 걸리며 일단 하이드로겔이 형성되면 우주 비행사들은 지구로 돌아갈 샘플을 준비하게 됩니다.

샘플이 실험실로 돌아오면 팀은 액체를 제거하고 그래핀 에어로겔 형태의 공기만 남기는 과정의 두 번째 단계를 수행할 것입니다. 그런 다음 연구팀은 에어로겔의 특성을 조사하고 지상에서 생산된 그래핀 에어로겔과 비교합니다.

Frick은 프로세스의 첫 번째 단계가 가장 중요하다고 말합니다. 지구에서는 중력이 그래핀 조각을 고르지 않게 아래로 끌어당길 수 있으며, 이로 인해 하이드로겔에 균열이 생길 수 있습니다. 이는 생산된 에어로겔의 품질에 영향을 미쳐 전기 전도성이 떨어지거나 흡수율이 낮아질 수 있습니다.

Senesky는 “우주에서 생산된 그래핀 하이드로겔에서 우리가 기대하는 것은 여기 지구에서 볼 수 있는 퇴적 효과가 감소한다는 것입니다.”라고 말했습니다. 하이드로겔로 생산된 그래핀 에어로겔은 크기가 몇 밀리미터에 불과하지만, 팀이 에어로겔이 육상 에어로겔보다 품질이 더 높다는 것을 보여줄 수 있다면 생산 규모를 확대하여 더 큰 그래핀 에어로겔을 만들 수 있습니다.

Senesky에 따르면 에어로겔은 뛰어난 특성을 많이 갖고 있어 다양한 응용 분야에 이상적인 소재라고 합니다. 다공성이 매우 높아 여과에 좋습니다. 예를 들어, NASA는 혜성에서 미세한 먼지 입자를 포착하기 위해 기관의 Stardust 임무에서 실리카 기반 에어로겔을 사용했습니다. 실리카 에어로겔은 NASA의 화성 탐사선의 단열재와 지구상의 겉옷에도 사용되었습니다.