"Puit on looduslik materjal ja me saame seda nanotehnoloogia abil oluliselt paremaks teha. Ja seal ei ole ainult kosmoserakendused mängus, vaid me saame uurida lisaks maapealseid rakendusi. Nanokattega saame anda säilitada puu senised head omadused ja lisada teisi häid omadusi juurde, näiteks muuta seda niiskus- ja tulekindlamaks," sõnas Maido Merisalu, Tartu Ülikooli materjaliteadlane.

Plaanipäraselt saadetakse käesoleval aastal orbiidile vähemalt kaks puidust väikesatelliiti. Neist ühe taga on soomlased koos partneritega ettevõtetest WISA Woodsat ja Arctic Astronautics Oy. WISA Woodsati projektijuht Jari Mäkinen nentis, et käesoleval aastal on Päikese aktiivsuse maksimumi tõttu Maa ülaatmosfäär keskmisest paksem. Nõnda langeb ka nende tehiskaaslase orbiit ilmselt tavapärasest kiiremini.

"Isegi kui see on tehniliselt nii hästi tehtud kui võimalik, kukub satelliit seetõttu juba mõne aasta pärast tagasi Maa atmosfääri. Oleks jube tore, kui suudaksime sellega ühendust hoida hetkeni, kuni see atmosfääris hukka saab. Rõhu- ja temperatuuriandmed võimaldaksid meil võrrelda puu ning alumiiniumi keskkonnasõbralikkust ja kui palju gaase atmosfääri jääb," viitas Mäkinen.

Teise puitsatelliidi ehitamisel teevad koostööd Kyoto Ülikool ja Sumitomo Forestry Co. Isegi kui võidujooksu peaksid võitma jaapanlased, on see ikkagi märk sellest, et puidus on midagi erilist, mis muudab selle satelliidi ehitamisel kütkestavaks kosmosematerjaliks. Sellesuunalisi uuringuid tehakse aga mitmetes teisteski maades tihedas koostöös erasektori ja avaliku sektori vahel ning uuringutele kulutatakse suuri summasid.

Puidu mitu eelist

Maido Merisalu sõnul on võimalikele kosmoserakendustele mõeldes puidul mitmeid häid külgi. "Puit on odav materjal, mida on kerge töödelda ja sobivale kujule viia, et valmistada sellest satelliitide komponente," märkis materjaliteadlane. Seejuures on ilmselt selle parim vorm vineer. Olemuselt on tegu komposiitmaterjaliga, kus õhukesed puidu kihid on omavahel seotud orgaanilise sideainega.

Lisaks satelliidiosade tootmise hinnale tuleb arvestada ka satelliiidi orbiidile saatmise hinnaga, mis sõltub otseselt selle massist. Sellest küljest on puit alumiiniumi sulamitest enam kui viis korda kergem.

Viimastel aastatel samuti rohkelt kõneainet leitud süsinikkiu ja epoksiidi komposiitmaterjal kaldub pigem alumiiniumi massiklassi. Komposiitmaterjali tihedus on ligikaudu 1,8 g/cm³. "Seega tundub puit olevat hinna poolest üsna atraktiivne materjal nii tootmise kui ka orbiidile saatmise seisukohalt. Päris lihtne puidu kosmoses rakendamine siiski ei ole," nentis Merisalu.

Appi tuleb nanotehnoloogia

Otse saekaatrist pärit puitmaterjali kosmoserakendustes kasutada ei saa, sest sel on ka mitmeid puudusi. "Esiteks, tegu on poorse materjaliga, millest õhutühjas kosmosekeskkonnas väljuvad erinevad ühendid, sh vee ja mitmete orgaaniliste ühendite aurud," sõnas Maido Merisalu. See omakorda põhjustab vaakumkeskkonnas puidust valmistatud osades mehaanilisi defekte, pingeid ja deformatsioone, mis võivad kahjustada tõsiselt tervet satelliiti.

Ühtlasi võivad puidust väljuvad ühendid sadeneda satelliidi teistele pindadele, nagu näiteks kaamera objektivile ja päikesepaneelidele ning häirida sellega nende tööd.

Unustada ei saa sedagi, et puit suures osas süsinikmaterjal, mis on äärmiselt tundlik madalal orbiidil oleva atomaarse hapniku suhtes. Täpsemalt hakkab see kiiresti korrodeeruma. Korrosiooni tulemusel tekivad valdavalt veeaur ja vingugaas (CO), mis lahkuvad puidu pinnalt kosmosesse. Seeläbi hakkab puidumaterjali pind lagunema.

Probleemide lahendamiseks laskis WISA Woodsati arendaja Arctic Astronautics Oy katta vineerist (UPM) satelliidi küljepaneelid aatomkihtsadestuse meetodil, kasutades selleks üliõhukest keraamilist alumiiniumoksiidi kihti. Viimasega sai Soomes hakkama ettevõte Picosun Oy . Pärast testide läbiviimist Euroopa Kosmoseagentuuris said need puidu tükid omale edasisteks uuringuteks Tartu Ülikoolis.

Maido Merisalu ja ta kolleegide eelnevate uuringute põhjal muudab kokkupuude madalorbiidil leiduva atomaarse hapnikuga igal aastal vaid väga õhukest keraamilise katte pealmist kihti. Tehtud mõõtmiste põhjal vaid kümne nanomeetri ulatuses, mis on võrreldav umbes nelja DNA molekuli paksusega. Seega piisab vaid mõnekümne nanomeetri paksusest kattest, et kaitsta süsinikmaterjale kosmoses pikemat aega.

Keraamilisel alumiiniumoksiidist kattel on veel teinegi kasulik omadus. Kate moodustab difusioonibarjääri, mis takistab gaaside liikumist puitu ja sellest välja. See aitab ennetada kosmilises vaakumis mehaaniliste pingete ja deformatsioonide ning teiste pindade reostumisega seonduvaid probleeme.

Satelliidil WISA Woodsat on lisaks kuuele puidust küljepaneelile veel üle 50 3D-prinditud alumiiniumsulamist täppisdetaili. Nende kaitsmiseks kaeti need Tartus Tartu Ülikooli patenteeritud nanostruktuurse kaitsekattega. Katte valmistamine toimus kahes etapis. Esmalt kasutasid teadlased anodeerimist, et muuta detailide õhuke pinnakiht poorseks alumiiniumoksiidiks. Teises etapis võtsid nad appi aatomkihtsadestuse, et täita poorid keraamilise materjaliga.

Tulemusena said teadlased vähem kui viie mikromeetri paksuse tiheda keraamilise katte. Seejuures kaetud detailide mõõtmed oluliselt ei muutunud. "Eestis arendatud nanostruktuursele kaitsekattele tegelikult häid alternatiive maailmas ei ole. Vähesed meetodid suudavad ühtlaselt katta keeruka kolmemõõtmelise kujuga detaile ühtlase õhukese kihiga, millel on head mehaanilised omadused ja kõrge korrosioonikindlus," sõnas Maido Merisalu.

Lisaks funktsionaalsetele katetele on varustatud satelliit mitme Eestis valmistatud korrosioonisensoriga. Viimased põhinevad grafeenil ja arendati välja Tartu Teaduspargis asuvas Tartu Ülikooli hargettevõttes Captain Corrosion OÜ. Nende abil uuritakse, kui kiiresti korrodeeruvad atomaarse hapniku toimel süsinikmaterjalid, mis on satelliidi välisküljel ja peavad trotsima atomaarse hapniku otsevoole. Teised sensorid asuvad satelliidi sisemuses, kus keskkond võiks olla malbem.

"Kõige põnevam aparaat, ka avalikkuse tähelepanu tõmbamise mõttes, on selfi-pulk satelliidi küljes. Näeme selle abil, mis materjaliga juhtub. Visuaalselt toimub ilmselt midagi sarnast, kui kevadel kollakaspruuniks värvuvate lumehunnikute puhul," sõnas Jari Mäkinen.

Kõrgtehnoloogiline kiirguskaitse

Võimalik, et puit osutub ka heaks materjaliks, millega kaitsta satelliidis olevat elektroonikat ioniseeriva kosmilise kiirguse hävitava mõju eest. Ioniseeriv kiirgus koosneb kõrge energiaga laetud osakestest, nagu elektronid, prootonid, heeliumi tuumad, ning lühema lainepikkusega elektromagnetkiirgusest ehk ultraviolett-, röntgen- ja gammakiirgusest.

Inseneridele valmistavad probleeme just kõrge energiaga laetud osakesed, mis vallandavad satelliidi korpust tabades teisese kõrge energiaga elektromagnetkiirguse. Sekundaarse kiirguse energia ja intensiivsus sõltub aga otseselt satelliidi korpuse materjalist. Mida madalama keskmise aatominumbriga elementidest korpuse materjal koosneb, seda nõrgem ja madalamat energiat kannab teisene elektromagnetkiirgus.

"Siin tulebki välja puidu suur eelis alumiiniumi ja teiste raskemate materjalide ees," selgitas Maido Merisalu. Puit koosneb enamasti ligniinist ja tselluloosist, mille ehitamiseks kasutavad taimed eeskätt süsiniku, hapniku ja vesinikku. Elemendid on alumiiniumist oluliselt väiksema aatominumbriga. Seeläbi peaks puit tagama hea kaitse elektroonikadetailidele sekundaarse kiirguse eest ja seeläbi pikendama satelliitide tööiga.

Jari Mäkineni sõnul on puidul teinegi eelis. "Kommunikatsiooni- ja uurimissatelliitides oleks puidu kasutamine selgelt kasulik, sest näiteks alumiinium segab magnetvälja mõõtmist. Puit on seevastu neutraalne materjal," sõnas projektijuht.

Eesti suur võimalus

Maido Merisalu sõnul pole puidu uurimine põnev vaid Eesti materjaliteadlastele, vaid avardab juba eos üliõpilaste silmaringi. "Õpitu rakendamisega saavad nad edaspidi luua juba nutikaid materjale nii maapealsete kui ka kosmose rakenduste jaoks. Näiteks on puidu töötlemisel nanotehnoloogia abil tegu klassikalise ressursside väärindamisega, kus suhteliselt odavale materjalile antakse kõrgtehnoloogilise lahenduse abil suur lisandväärtus," selgitas materjaliteadlane.

Puidu sobivaks kosmosematerjaliks muutmisega kasvab ühtlasi selle vastupidavus hapniku oksüdeeriva mõju suhtes. Nõnda võiks kasvada selle tulekindlus. Tõsi, see omadus vajab veel täiendavaid uuringuid. Lisaks võiks takistada keraamiline kaitsekate aga niiskuse pääsemist puitu, mis vähendaks omakorda õhuniiskuse muutumisest tingitud puidu deformatsioone.

Funktsionaalsete katete enda uurimine kosmoserakenduste jaoks aga loob edaspidi võimalusi parendada paljusid teisi materjale ja muuta nad vajadusel kosmosekõlbulikuks.

Seega ei pruugi materjalide valik olla kosmoserakenduste jaoks enam nii piiratud kui praegu. "Euroopa Kosmoseagentuur mõtleb töödeldud puidu peale ka kuujaamade ja Marsi-laevade siseseinte ehitamiseks, et kaitsta astronaute kahjuliku kiirguse eest. Ja eks see ole lisaks pikal kosmosereisil väga kodune materjal," tõi Jari Mäkinen näite.

Merisalu rõhutas, et taoliste funktsionaalsete materjalide uurimine on üks valdkondadest, milles oleks võimalik Eesti teadlastel juba praegu maailmas läbi lüüa. Lisaks talle endale aitavad teiste seas sellele vundamenti laduda emeriitprofessor Väino Sammelselg, materjaliteaduse professor Kaupo Kukli ja üliõpilane Kaisa Aab.