Satelliittisovelluksien säteilynsuojaus komposiittirakenteiden avulla

Abstract

Satelliitit ovat välttämättömiä monien nykypäivänä arkipäiväisten asioiden, kuten tietoliikenneyhteyksien ja navigointijärjestelmien kannalta. Lisäksi satelliittien avulla tehdään laajasti erilaisia tutkimuksia maapallosta, sekä ihmiskuntaa ympäröivästä maailmankaikkeudesta. Tämä kandidaatintyö on kirjallisuuskatsaus satelliittien säteilynsuojauksesta komposiittirakenteiden avulla. Työssä pyritään selvittämään miten avaruuden säteily vaikuttaa satelliitteihin ja niissä käytettäviin komposiittirakenteisiin. Tavoitteena on löytää kirjallisuuden avulla rakenneratkaisuja, joilla satelliiteille voidaan taata riittävä säteilynsuojaus.

Satelliittien säteilynsuojaus on hyvin tärkeää, sillä säteily voi vahingoittaa satelliitteja. Säteily voi vaurioittaa satelliitin komponentteja, jolloin satelliitti ei ole kykeneväinen suorittamaan omaa tehtäväänsä. Lisäksi säteily voi vaikuttaa satelliiteissa usein käytettävien komposiittirakenteiden mekaanisiin ominaisuuksiin. Avaruuden säteilyn on kuitenkin havaittu olevan merkityksetöntä komposiittirakenteille alle seitsemän vuoden altistuksen aikana.

Suuri osa avaruuden säteily-ympäristöstä aiheutuu kolmesta primäärilähteestä; kosmisesta säteilystä, auringonpurkauksista, sekä Van Allenin vyöhykkeistä. Avaruuden säteily-ympäristö koostuu pääasiassa elektroneista, protoneista, ioneista, sekä atomia pienemmistä hiukkasista. Maan eri kiertoradoilla vallitsevat erilaiset säteily-ympäristöt. Pääsääntöisesti voidaan sanoa, että mitä kauemmalla kiertoradalla ollaan, sitä suurempi säteilyannos on. Säteilyannoksen suuruuteen vaikuttaa kuitenkin myös auringonaktiivisuus, joka saattaa aiheuttaa aktiivisuusminimissä ja maksimissa eroja säteilyannoksien ja -tyyppien suuruuteen.

Satelliittien halutaan olevan tarpeeksi kestäviä kohtaamaan niiden elinkaarien aikaiset kuormitukset, mutta samaan aikaan pyritään pitämään rakenteet mahdollisimman kevyinä. Satelliittisovelluksien rakennevaatimuksiin pystytään vastaamaan komposiittirakenteiden avulla. Komposiitit ovat yleisesti kevytrakenteisia, mutta niillä on silti hyvät mekaaniset ominaisuudet. Lisäksi komposiittirakenteilla pystytään takaamaan satelliittien säteilynsuojaus, joka tehdään usein lisäämällä rakenteisiin erilaisia säteilyltä suojaavia kerroksia.

Tässä työssä käsiteltyjen tutkimusten perusteella avaruuden säteilyä voidaan torjua kerrosrakenteisilla komposiittirakenteilla. Säteilynsuojaus luodaan usein keskikerroksilla, joissa käytetään eri järjestysluvun materiaaleja. Pienemmän järjestysluvun materiaalit toimivat painavia ioneja vastaan ja suuremman järjestysluvun materiaalit toimivat paremmin esimerkiksi elektroneja ja protoneja vastaan. Suojauskerrokset voivat olla yhdestä materiaalista tehtyjä-, tai komposiitista valmistettuja kerroksia, joissa valitaan optimaalinen kuidun ja matriisin yhdistelmä säteilysuojausta varten. Komposiittirakenteiden avulla on mahdollista tehdä tarkasti spesifioituja rakenteita erilaisia sovelluskohteita ja säteily-ympäristöjä varten, joten komposiittirakenteilla on todennäköisesti vahva tulevaisuus muun muassa satelliittisovelluksissa.