TU Delft tests graphene as a material for solar sails


A team of researchers are preparing an exciting experiment to test graphene in space-like zero-gravity, for potential future use as a light sail in space-craft propulsion.

The GrapheneX team successfully submitted their experiment proposal to ESA Education’s Drop Your Thesis! Programme in October 2016. The team members – Santiago Cartamil-Bueno, Rocco Gaudenzi, Davide Stefani and Vera Janssen – will travel to Bremen, Germany between 6-17 November 2017 to perform their experiment at the 146 m ZARM Drop Tower.

Propelling without fuel
Light sails can be used in space as a method of propelling spacecraft using light from the sun or from Earth-based lasers. When light is reflected from or absorbed by a surface, it exerts a force that pushes the surface away from the light source. This radiation pressure can be used to propel objects in space without using fuel or gases.

However, the thrust generated by radiation pressure is very low. For effective propulsion, the light sail must have a large surface and be as light as possible. Graphene is very light and strong, and could be a good candidate for solar sails. The GrapheneX team plan to investigate how graphene could work as a light sail in an experiment that simulates the low-gravity and high-vacuum conditions of space.

The sails to be tested by the GrapheneX team are graphene membranes, supplied by Graphene Flagship partner Graphenea. The radiation pressure from shining high-power laser light onto the graphene membranes will should cause the sails to move approximately 2 mm. This displacement will be measured with a simple microscope to determine the thrust on the graphene sails. The team plan to use different colours of laser light, to investigate the exact mechanism of how momentum is transferred to the graphene from light.

Rise and fall
At the ZARM Drop Tower, the experiment – including graphene sails, lasers and cameras - will be loaded into a capsule and catapulted the height of the tower. Inside the tower, vacuum conditions allow the capsule to rise and fall without friction or air resistance, so that the capsule experiences apparent weightlessness down to one-millionth of the Earth’s gravitational force. As the capsule accelerates, the graphene sails will be released into almost gravity-free free-fall. At this point, the laser will be allowed to shine onto the graphene chip, and the pressure generated by the laser falling onto the graphene will be detected. A key challenge of this experiment is automating the experiment procedures to initiate and record the results in the 9.3 seconds of free fall.

All preparatory work for this experiment is being carried out by the GrapheneX team at TU Delft, with support from Herre van der Zant (TU Deflt), Angelo Cervone (TU Delft) and Jian Rong Gao (Delft Space Institute, the Netherlands). As part of the Drop Your Thesis! programme, the team are also mentored by Pekka Janhunen (Finnish Meteorological Institute, Finland). This experiment is supported by ESA Education, the Graphene Flagship and the Delft Space Institute.

Follow the action on the blog!

GrapheneX Twitter

GrapheneX Facebook

Zero Gravity Graphene - Solar Sails


Een team onderzoekers is een spannend experiment aan het voorbereiden waarin ze grafeen testen in een ruimteachtige, gewichtsloze omgeving, voor mogelijk toekomstig gebruik als ‘lichtzeil’ voor de voortstuwing van ruimtevaartuigen.

Het GrapheneX-team heeft het voorstel voor het experiment in oktober 2016 met succes ingediend bij het programma Drop Your Thesis! van ESA Education. De teamleden – Santiago Cartamil-Bueno, Rocco Gaudenzi, Davide Stefani en Vera Janssen – zullen van 6 tot 17 november 2017 in Bremen hun experiment uitvoeren bij de 146 meter hoge valtoren van het ZARM.

Voortstuwen met licht
Lichtzeilen kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen voort te stuwen met behulp van licht van de zon of van lasers op aarde. Wanneer licht wordt gereflecteerd door een oppervlak of erdoor wordt geabsorbeerd, oefent het een kracht uit die het oppervlak wegduwt van de lichtbron. Met deze stralingsdruk kunnen objecten in de ruimte worden voortgestuwd zonder dat er brandstof of gas aan te pas komt.

De van stralingsdruk afkomstige stuwkracht is echter erg zwak. Voor een effectieve voortstuwing moet het lichtzeil een groot oppervlak hebben en zo licht mogelijk zijn. Grafeen is heel licht en sterk, en zou een goede kandidaat voor zonnezeilen kunnen zijn. In een experiment waarin de geringe zwaartekracht en het bijna-vacuüm van de ruimte wordt gesimuleerd, wil het GrapheneX-team onderzoeken hoe grafeen als lichtzeil kan werken.

De testzeilen van het team zijn grafeenmembranen die worden geleverd door Graphene Flagship-partner Graphenea. De stralingsdruk van laserlicht dat met hoge energie op grafeenmembranen schijnt, zou de zeilen ongeveer 2 mm moeten verplaatsen. Deze verplaatsing zal met een eenvoudige microscoop worden gemeten, zodat het team de stuwkracht op de grafeenzeilen kan bepalen. Het team wil verschillende kleuren laserlicht gebruiken om het precieze mechanisme te onderzoeken waarmee de impuls van het licht op het grafeen wordt overgedragen.

Vrije val
Bij de valtoren van het ZARM wordt het experiment, dat wil zeggen de grafeenzeilen, de lasers en de camera’s, in een capsule geladen en met een katapult naar de top van de toren geschoten. Door het vacuüm in de toren kan de capsule omhoog en omlaag bewegen zonder wrijving of luchtweerstand, zodat de capsule zich praktisch in een toestand van gewichtsloosheid bevindt, met een zwaartekracht die een miljoenste is van de normale zwaartekracht op aarde. Wanneer de capsule versnelt, worden de grafeenzeilen losgelaten in een bijna gewichtloze vrije val. Op dat moment laat het team de laser op de grafeenchip schijnen en wordt de hierdoor gegenereerde druk op het grafeen gedetecteerd. Een belangrijke uitdaging van dit experiment is de automatisering van de procedures van het experiment, zodat de resultaten in de 9,3 seconden vrije val kunnen worden vastgelegd.

Al het voorbereidende werk voor het experiment wordt door het GrapheneX-team bij de TU Delft uitgevoerd, met ondersteuning van Herre van der Zant (TU Delft), Angelo Cervone (TU Delft) en Jian Rong Gao (TU Delft Space Institute). Als onderdeel van het programma Drop Your Thesis! wordt het team ook nog begeleid door Pekka Janhunen van het Fins Meteorologisch Instituut. Dit experiment wordt gesteund door ESA Education, het Graphene Flagship en het TU Delft Space Institute.

Volg de activiteiten op het blog!

GrapheneX op Twitter

GrapheneX op Facebook

Zero Gravity Graphene - Solar Sails