Siste romfartsinnovasjoner baner vei for neste generasjons flyvning

Den raskt utviklende romfartsindustrien utforsker kontinuerlig måter å forbedre effektivitet, ytelse og sikkerhet på, samtidig som den reduserer karbonutslipp og opprettholder bærekraft.

I de siste årene har flere teknologiske fremskritt utvidet mulighetene for luftreiser både innenfor jordens atmosfære og utenfor den. Dette inkluderer avansert satellittteknologi for kommunikasjon, additiv produksjon for lettvektige komponenter, elektrisk fremdrift for reduserte utslipp og kostnader, supersonisk flyvning for raskere reiser, og kunstig intelligens og maskinlæring for økt operasjonell effektivitet.

Romfart fokuserer på avanserte materialer med svært spesifikke egenskaper. Systemer involverer vanligvis ulike typer materialer, fra keramisk termisk til karbonfiber og titan, som brukes til utallige formål for å optimalisere ytelsen.

Forskningen på dette området har som mål å utvikle multifunksjonelle materialer, det vil si materialer som ikke bare har strukturelle funksjoner, men også kan tilby andre egenskaper som aktiv kjøling. For å realisere avanserte romfartskonsepter må materialene være mer holdbare, lettere og kostnadseffektive enn noen gang før.

Etter hvert som romfartsindustrien fortsetter å utvikle seg, la oss se på de nyeste banebrytende innovasjonene som vil ta den enda videre.

Låser opp ‘Materialgenomet’ for å fremme design

I forrige måned oppdaget forskere fra University of Sydney’s School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering en mikroskopimetode for å avdekke atomære relasjoner i krystallinske materialer som avanserte stål og spesialtilpasset silisium.

Dette betyr at forskerne kan oppdage selv de minste endringene i den atomære arkitekturen til disse materialene, noe som forbedrer vår forståelse av de grunnleggende årsakene til deres egenskaper og oppførsel. Denne kunnskapen vil muliggjøre utvikling av avanserte halvledere for elektronikk og lettere, sterkere legeringer for romfartssektoren.

For dette brukte forskerne atomprobe-tomografi (APT), en teknikk som visualiserer atomer i tre dimensjoner (3D), for å avklare kompleksiteten i kortdistanseorden (SRO). SRO er et kvantitativt mål på den relative tendensen til at et materiales bestanddeler avviker fra en tilfeldig fordeling. Å forstå de lokale atomære miljøene er essensielt for å skape innovative materialer.

Ved å kvantifisere den ikke-tilfeldige naturen i naborelasjoner på atomskala innen krystallen i detalj, åpner SRO opp «en enorm mulighet for materialer som er skreddersydd, atom for atom, med spesifikke nabostrukturer for å oppnå ønskede egenskaper som styrke», sa studielederen, professor Simon Ringer, som er Pro‑Vice‑Chancellor (Research Infrastructure) ved University of Sydney.

Noen ganger referert til som «materialgenomet», har SRO vært en utfordring å måle og kvantifisere. Dette skyldes at atomarrangementer forekommer på så liten skala at de ikke kan sees med konvensjonelle mikroskopiteknikker.

Derfor utviklet forskerteamet en ny metode ved bruk av APT som overkommer disse utfordringene, og gjør det «et betydelig gjennombrudd innen materialvitenskap», sa Ringer, materialingeniør ved AMME.

Studiens fokus har vært på høy‑entropi‑legeringer (HEA), et sterkt forsket område på grunn av deres potensial i situasjoner som krever høy temperaturstyrke, inkludert jetmotorer og kraftverk.

Ved å bruke avanserte datavitenskapelige teknikker og data fra APT, observerte og målte forskerne SRO. De kunne deretter sammenligne hvordan SRO endres i en høy‑entropi‑legering av kobolt, krom og nikkel under ulike varmebehandlinger.

Ifølge Dr. Andrew Breen, senior postdoktor:

«(Studien har produsert en) sensitivitetsanalyse som avgrenser det presise spekteret av omstendigheter hvor slike målinger er gyldige og hvor de ikke er gyldige.»

Ved å måle og forstå SRO, kan denne studien også bidra til å transformere tilnærminger til materialdesign og vise akkurat hvordan «små endringer i atomnivåets arkitektur kan føre til enorme fremskritt i materialytelse», sa Dr. Mengwei He, postdoktor i School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

Videre, ved å tilby en blåkopi på mikroskopisk nivå, forbedrer studien en forskers evne til å simulere, modellere og forutsi materialers oppførsel. Den kan også fungere som en mal for fremtidige studier der SRO styrer kritiske materialegenskaper.

Et nytt materiale som gjør hypersonisk flyvning mulig

Det er stor interesse for å oppnå vedvarende flyvning ved hypersoniske hastigheter, men tekniske utfordringer gjenstår. Disse inkluderer håndtering av ekstrem varme, utvikling av materialer som kan tåle stress, ekstreme temperaturer og oksidasjon uten å gå på kompromiss med ytelsen, samt å skape fremdriftssystemer som kan operere effektivt ved høye hastigheter og høyder.

Mens forskere prøver å finne løsninger på disse problemene, rapporterte forskere fra Guangzhou University School of Materials Science and Engineering et gjennombrudd i hypersoniske varmeskjold tidligere i år.

I det som kan bli en spillveksler for hypersonisk flyvning, utviklet forskerne et nytt materiale, porøs keramikk, som gir «eksepsjonell termisk stabilitet» og «ultra‑høy kompresjonsstyrke».

Dette har blitt oppnådd ved bruk av et fler‑skala strukturelt design, som forskerne sier er gjort for aller første gang. Dessuten åpner den raske fabrikasjonen av denne høy‑entropi‑keramikken døren til bredere utforskning innen romfart, kjemisk ingeniørkunst og energiproduksjon og -overføring.

Forskerne sa at keramikken ble fremstilt gjennom «en ultrarask høy‑temperatur‑synteseteknikk som kan gi eksepsjonell mekanisk belastningskapasitet og høy termisk isolasjonsytelse».

For å takle utfordringen med sterke, lettvektige materialer med lav termisk ledningsevne, brukte forskerne keramiske materialer som er ikke‑brennbare og korrosjonsbestandige, har høye smeltepunkter og viser lav termisk ledningsevne. Naturligvis er konvensjonell keramikk fortsatt utilstrekkelig for å håndtere ekstremt høye temperaturer og trykk.

Selv om lettvektige, porøse materialer har lav termisk overføringskapasitet, kommer de på bekostning av økt skjørhet.

Derfor begynte forskerne å arbeide med å forbedre både den mekaniske styrken og den termiske isolasjonskapasiteten til porøs keramikk samtidig. Dette førte dem til høy‑entropi‑konseptet, som fokuserer på flere elementer i like mengder for å skape sterkere, mer stabile og mer varmemotstandsdyktige komponenter.

Forskerne fant at det nyopprettede keramiske materialet — kalt 9‑kation porøs høy‑entropi diborid (9PHEB) — lykkes i å oppnå en god balanse mellom varmemotstand og styrke uten de vanlige begrensningene. Dette nye materialet oppfylte også de nødvendige vekt‑ og isolasjonsstandardene for romfartsflyvning.

Ifølge forskerne:

«Høykvalitetsgrensesnitt, karakterisert av sterk binding uten defekter eller amorfe faser, kan fremme rask kraftoverføring langs byggeblokken og til mange andre gjennom forbindelser ved belastning, noe som fører til en betydelig forbedring av den mekaniske styrken.»

Studien bemerket også at det nye materialet 9PHEB er eksepsjonelt både når det gjelder styrke og termisk stabilitet.

Selvhelbredende materialer for romfartsstrukturer

Selvhelbredende polymerer og nanokompositter er innovative materialer som har betydelig fremmet romfartsindustrien. De har også vært gjenstand for omfattende forskning for sine anvendelser innen elektronikk, batterier, biomedisin og andre tekniske felt.

Selv om selvhelbredende materialer har eksistert i mange århundrer, har det de siste tiårene vært en betydelig økning i innovasjon på dette området, noe som har ført til utviklingen av syntetiske selvhelbredende materialer.

Disse materialene kan finnes i ulike former, avhengig av deres unike kjemi, inkludert termoplastiske polymerer, herdet polymerer, elastomerer, formminne‑polymerer, polymerkompositter og nanokompositter.

Avhengig av deres evne, blir disse materialene ofte referert til som intrinsiske selvhelbredende materialer, som er avhengige av kjemiske bindinger eller molekylær mobilitet innen selve materialet, eller ekstrinsiske selvhelbredende materialer, hvor eksterne helbredelsesmidler aktiveres ved skade.

Polymerer anses som spesielt viktige i strukturell bruk på grunn av deres fantastiske evne til å reparere strukturelle skader. Dette oppnås gjennom polymerkjedeutmobilisering og kryssbinding.

I romfartsindustrien er selvhelbredende nanokompositter spesielt nyttige for konstruerte strukturer, lim, motorer, flyskrog og belegg. Selvhelbredende nanokompositter fremstilles ved å inkorporere nanopartikler i polymerer. På grunn av deres evne til reversibel å helbrede skader, blir herdet polymerer og termoplastiske polymerer forsterket med nano‑karbon nanopartikler.

Nanofyller forsterker ytterligere selvhelbredende effekt i nanokompositter. Type og innhold av nanofyll er essensielle faktorer for å initiere den selvhelbredende effekten.

Tradisjonelt ble keramiske og metalliske materialer brukt til å utvikle motorer. Imidlertid har polymermaterialer og kompositter de siste årene i økende grad blitt brukt i høy‑temperatur‑bestandige jetmotorer. Dette skiftet har en god grunn, da komposittmaterialer bedre motstår strukturell skade fra støt eller svikt.

Med keramiske fibre som kan tåle svært høye temperaturer, har selvhelbredende nanokompositter blitt brukt til å produsere både faste og mobile jetmotor‑komponenter. Disse nanomaterialene har også vist seg å være motstandsdyktige mot trykk, skade og korrosjon, noe som bidrar til forbedret motor­effektivitet.

Den pågående forskningen på selvhelbredende polymerer viser potensial for materialer som kan tåle høyt trykk, temperatur og støt, og dermed betydelig forbedre holdbarheten til romstrukturer. Vi kan i fremtiden også se utviklingen av nanokarbon‑nanokompositter som kan oppdage skade i romfartsstrukturer, men dette vil kreve nye helbredelsesmidler med overlegen selvhelbredende effektivitet.

Interessant nok, i verden av selvhelbredende materialer utviklet Dr. Kunal Masania, førsteamanuensis i romfartsstrukturer og materialer ved Delft University of Technology i Nederland, «levende materialer» for bruk i romfartssektoren. Disse levende materialene inneholder mikroorganismer som bakterier og sopp, som gir dem evnen til selvhelbredelse.

Teamet valgte sopp på grunn av deres evne til å tåle harde forhold og relativt enkle dyrking. Soppceller kan også koble seg sammen, noe som betyr at ved å spre bare noen få celler i materialet, kan de koble seg sammen igjen og danne et sensornettverk. Disse levende materialene produseres faktisk gjennom en spesiell 3D‑print‑metode og en ny 3D‑print‑blekk.

Denne utviklingen ble gjort som en del av femårsprosjektet AM‑IMATE, som ble tildelt en EU‑grant. Ifølge Masania:

«(Målet med prosjektet er) å lage konstruerte strukturer som kan oppføre seg som levende organismer, i stand til å oppdage og tilpasse seg mekanisk stress.»

Ved å bruke biologiske selvhelbredende materialer, kan ikke bare holdbarheten og ytelsen til kritiske strukturer i romfart forbedres, men det kan også bli bærekraftig. AM‑IMATE‑teamet utforsker faktisk bruk av kompositter som kjerne­materiale for flyinteriør.

«Våre materialer er svært lette og mer bærekraftige enn de som brukes i dag», sa Masania, og la til at erstatning av plast og metall betyr at vi ikke lenger må stole på fossilt brensel. Også, «flykomponentene kan demonteres og returneres til naturen», sa han.

Men dette er ikke alt. Teamet ser også for seg at deres levende materialer kan danne grunnlaget for nye habitater «på andre planeter» ved å bruke lokale materialer og binde dem sammen med sopp.

Selskaper som leder innen romfartsteknologi

Hvis vi ser på selskapene som opererer i romfartsindustrien, er flere nøkkelaktører i forkant av teknologisk utvikling, inkludert General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ) og Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), en av verdens største forsvarsleverandører, er også en betydelig aktør i dette feltet. Kjent for sine jagerfly, missilsystemer og romfarts‑teknologier, har Lockheed Martin utviklet en AI‑basert telekommunikasjonsprogramvare kalt Callisto i samarbeid med Amazon (AMZN ) og Cisco for å forbedre effektivitet og situasjonsbevissthet ombord på romfartøy. Nylig kjøpte de satellitt‑løsningsleverandøren Terran Orbital i en avtale på 450 millioner dollar.

Boeing er en annen stor aktør innen kommersiell og militær romfart. Selskapet er for tiden under intens gransking for kvalitetssikringsproblemer, pågående problemer med 737 Max‑flyet, håndtering av sikkerhetsbekymringer og konkurranse fra Airbus.

Airbus er primært involvert i design og produksjon av kommersielle fly. For å redusere CO₂‑utslippene fra sine produkter, utvikler bio‑avledede materialer for flyproduksjon. Til dette undersøker selskapet alternativer til karbonfibre fra fossile brensler som brukes i bygging av komponenter som vinger eller skrog.

Nå tar vi en nærmere titt på et par fremtredende navn:

#1. Raytheon Technologies

Fokusert på avionikk, forsvarselektronikk og missilsystemer, i 2020, fullførte Raytheon sin fusjon med United Technologies for å danne verdens mest avanserte leverandør av romfarts‑ og forsvarssystemer.

Etter hvert som selskapet fortsetter å levere produkter og ekspertise globalt, inkluderer noen bemerkelsesverdige utviklinger i år:

• Å bli valgt av DARPA for kvante‑optiske sensorer brukt i bildeteknologi.
• Lanseringen av MAYA som fremtiden for premium luftreiser.
• Investering på 200 millioner dollar i Spokane for å stimulere produksjonsvekst.
• Fullføring av Crew Capability Assessment‑testen av deres neste generasjons romdrakt for den internasjonale romstasjonen.
• Tildeling av en kontrakt på 344 millioner dollar for modernisering av elektronikk‑enheten i missilsystemprogrammet.

Per skrivende stund handles Raytheon (RTX:NYSE) aksjer til $118,35, opp 40,66 % år‑til‑dato. Selskapets markedsverdi er $157,43 milliarder, og utbytteavkastningen er 2,13 %.

For Q2 2024 rapporterte selskapet $19,7 milliarder i omsetning, en økning på 8 % fra året før, mens driftskontantstrømmen var $2,7 milliarder. Raytheon noterte en ordre‑backlog på $206 milliarder, inkludert $129 milliarder kommersielt og $77 milliarder forsvar. Justert EPS var $1,41, opp 9 % fra året før.

«RTX leverte sterk operasjonell ytelse i andre kvartal, med 10 % organisk omsetningsvekst, justert marginutvidelse på tvers av alle tre segmenter, og $2,2 milliarder i fri kontantstrøm.»

– RTX President og administrerende direktør Chris Calio

Han bemerket også at med den store backloggen og «enestående etterspørsel på tvers av vår portefølje», fokuserer de på investering i innovative teknologier og kapasiteter.

#2. Northrop Grumman

Spesialisert innen forsvar og romfart, er Northrop Grumman (NOC ) kjent for sitt arbeid med ubemannede systemer, cybersikkerhet og avanserte romsystemer, inkludert James Webb Space Telescope. Selskapet utvikler også B‑12‑bombeflyet og Sentinel‑programmet. I tillegg samarbeider Northrop Grumman med Elon Musks SpaceX om et amerikansk spion‑satellittsystem, samarbeider med EpiSci om avanserte autonomi‑kapasiteter, og støtter Norges langsiktige forsvarsplan gjennom arbeidet med Andøya Space.

Per skrivende stund handles Northman‑aksjer til $504,87, opp 7,85 % år‑til‑dato, med en markedsverdi på $73,83 milliarder. Selskapet betaler en utbytteavkastning på 1,63 %. For Q2 2024 rapporterte selskapet en inntektsøkning på 6,7 % til $10,22 milliarder. Kvartalet så over $1,11 milliarder i fri kontantstrøm, mens kostnadene inkluderte omtrent $3 milliarder i FoU og $1,8 milliarder i kapitalutgifter. Northrop’s EPS overgikk estimatene med 7,6 % og lå på $6,36.

Selskapet har prognostisert solid vekst på tvers av sine divisjoner, spesielt innen aeronautikk, våpensystemer og avansert elektronikk. En liten nedgang forventes i romsegmentet neste år på grunn av et avlyst program, men vekst antas å gjenopptas etter dette. Mens de anerkjenner forsyningskjede‑begrensninger, spesielt i anskaffelse av ammoniumperklorat for faste rakettmotorer, nevnte administrerende direktør Kathy Warden at de samarbeider med Luftforsvaret for å redusere kostnadene.

Klikk her for en liste over de 10 beste aksjene innen romfart og forsvar.

Konklusjon

Romfartsmarkedet ligger for øyeblikket på rundt $300 milliarder. Selv om det kortvarig falt under COVID‑19‑pandemien, er det forventet å overstige $460 milliarder innen 2028. Samtidig er inntektene i markedet for produksjon av romfartsdeler projisert til å overgå $1 230 milliarder ved slutten av dette tiåret.

Gitt den veksten industrien opplever, skjer teknologisk innovasjon i raskt tempo. Fra mer effektive fly gjennom elektriske fremdriftssystemer, skapelsen av avanserte komposittmaterialer, og fremskritt innen AI og sensorteknologi for å oppnå fullt autonome fly, til forskning og adopsjon av bærekraftige flydrivstoff (SAF), som er avledet fra fornybare kilder, skjer mye, og sammen kan disse innovasjonene bringe betydelige endringer som former fremtiden for romfart.

Klikk her for en liste over de fem beste ETF‑ene innen romfart å investere i.