Gli scienziati dell’Università dell’Arizona hanno dimostrato una nuova applicazione per i nanonastri di grafene, che potrebbero fungere da sensori di radiazioni per i reattori a fusione e nello spazio profondo.
I ricercatori dell”University of Arizona hanno dimostrato una nuova e promettente applicazione per i nanonastri di grafene, che potrebbero fungere da sensori di radiazioni per i reattori a fusione e nello spazio profondo, dove le intense radiazioni mettono a dura prova le tecnologie esistenti e un attento monitoraggio del degrado dei materiali potrebbe contribuire a mantenere affidabili i sistemi critici.
I nanonastri di grafene sono un materiale semiconduttore su scala nanometrica con il potenziale di resistere ad ambienti estremi. I risultati del team dell’Università dell’Arizona, pubblicati su pubblicato sulla rivista ACS Applied Materials & Interfaces, potrebbero contribuire a superare un ostacolo fondamentale per portare l’energia da fusione alla rete elettrica.
“I dispositivi sopravvivono all’esposizione e continuano a rispondere, ma le loro prestazioni elettriche cambiano drasticamente. Questo è esattamente il comportamento che desideriamo da un sensore” afferma il responsabile dello studio, Zafer Mutlu, docente assistente di scienza e ingegneria dei materiali presso il College of Engineering dell’Università dell’Arizona.
I sensori basati su nastri di grafene (GNR) potrebbero contribuire a rendere l’energia da fusione una fonte di energia pulita e illimitata, migliorando il modo in cui gli ingegneri monitorano le condizioni della prima parete di un reattore. Questa barriera interna separa il combustibile surriscaldato dalla struttura del reattore e si degrada gradualmente sotto l’intensa radiazione, richiedendo ispezioni e sostituzioni periodiche. Gli ingegneri monitorano questo deterioramento, ma gli attuali sensori a base di silicio non possono resistere all’interno della prima parete. Devono quindi essere posizionati all’esterno della barriera, costringendo a fare affidamento su misurazioni indirette durante il funzionamento e su ispezioni fisiche dopo lo spegnimento.
Poiché l’esposizione ai raggi gamma ha lasciato intatta la struttura atomica dei nastri, producendo al contempo una forte risposta elettrica misurabile, i ricercatori suggeriscono che i sensori basati su GNR potrebbero essere progettati per operare più vicino al nucleo del reattore di quanto l’elettronica attuale possa sopportare, riducendo potenzialmente i costosi arresti per ispezione e manutenzione e aumentando il tempo di funzionamento delle centrali a fusione.
Le applicazioni della scoperta
Considerata da tempo una promettente fonte di elettricità su larga scala e a zero emissioni di carbonio, la fusione nucleare ha raggiunto importanti traguardi di laboratorio, inclusi esperimenti condotti dal 2022 che hanno prodotto più energia di quanta ne abbiano consumata i laser, ma deve ancora affrontare importanti ostacoli ingegneristici. I ricercatori dell’Università dell’Arizona stanno collaborando con l’industria per ampliare le tecnologie abilitanti e immettere l’energia da fusione nella rete elettrica.
Analogamente a questa applicazione di fusione, i sensori GNR potrebbero fornire dati sullo stato di salute dei sistemi spaziali, inclusi satelliti per le comunicazioni, satelliti per l’osservazione della Terra e sonde per l’esplorazione dello spazio profondo, e identificare i primi segni di usura dovuta alle radiazioni prima che si verifichino guasti.
Il prossimo passo dei ricercatori dell’University of Arizona è testare lo stesso dispositivo a diverse dosi di radiazioni. Prevedono inoltre di esplorare GNR di diverse dimensioni. Dopo queste indagini, Mutlu è fiducioso che il metodo di sintesi utilizzato nello studio consentirà ai ricercatori di personalizzare nuove forme di nastri: “È possibile progettare il materiale atomo per atomo, molecola per molecola. È possibile renderlo meno sensibile, più sensibile o non sensibile” spiega Mutlu, la cui ricerca si è concentrata sui materiali quantistici e sui dispositivi a semiconduttore.
Questo livello di controllo è importante per i futuri sistemi spaziali, dove sia i componenti elettronici che i dispositivi di monitoraggio devono funzionare per lunghi periodi sotto continua esposizione alle radiazioni. La stessa capacità di personalizzare il materiale a livello atomico potrebbe essere alla base di chip semiconduttori resistenti alle radiazioni, così come di sensori in grado di monitorare le prestazioni del sistema nel tempo.
Foto: Leslie Hawthorne Klingler, University of Arizona Office of Research and Partnerships
