美國(guó)國(guó)家航空航天局在石墨烯領(lǐng)域的創(chuàng)新研究與應(yīng)用案例

美國(guó)國(guó)家航空航天局在石墨烯領(lǐng)域的創(chuàng)新研究與應(yīng)用案例近年來(lái)，石墨烯以其“材料之王”的特性成為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在石墨烯領(lǐng)域展開(kāi)了一系列深入研究與創(chuàng)新項(xiàng)目，超過(guò)100個(gè)石墨烯相關(guān)項(xiàng)目已從實(shí)驗(yàn)室走向深空。這種厚度僅為一個(gè)原子的二維材料，正以驚人的速度滲透到太空科技的每個(gè)角落，從能源存儲(chǔ)到電子設(shè)備，從傳感器到結(jié)構(gòu)材料：它能承受460°C的金星煉獄，為探測(cè)器續(xù)命數(shù)月；它能編織出比鋼鐵強(qiáng)200倍的“納米盔甲”，讓航天器減重80%；甚至，它可能成為人類在火星上制造氧氣和凈水的秘密武器……石墨烯不是未來(lái)科技，它正在定義未來(lái)！根據(jù)NASA官方公布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，截至目前，美國(guó)NASA共計(jì)對(duì)101項(xiàng)石墨烯相關(guān)項(xiàng)目給予資金支持。目前還有兩個(gè)項(xiàng)目仍在進(jìn)行中，預(yù)計(jì)到2027年結(jié)題。NASA歷年對(duì)石墨烯項(xiàng)目支持情況如下圖所示：

一、NASA主要布局的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域美國(guó)NASA對(duì)于石墨烯材料的支持主要圍繞行星科學(xué)任務(wù)、載人航天、深空探測(cè)、空間站與衛(wèi)星等目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展布局：行星科學(xué)任務(wù)：用于金星、火星、木衛(wèi)二等極端環(huán)境的探測(cè)儀器（如Project94421）。載人航天：宇航員健康監(jiān)測(cè)、艙內(nèi)環(huán)境控制（如Project97106）。深空探測(cè)：太陽(yáng)能帆推進(jìn)技術(shù)（如Project146583）、深空通信系統(tǒng)（如Project91550）。空間站與衛(wèi)星：輕量化結(jié)構(gòu)材料、抗輻射電子設(shè)備（如Project11526）。其中，TX08.1.1

探測(cè)器和焦平面（DetectorsandFocalPlanes）是多年來(lái)的核心領(lǐng)域（尤其在2016-2022年間占比顯著），儲(chǔ)能（TX03.2.1）和輕質(zhì)材料（TX12.1.1）也是長(zhǎng)期重點(diǎn)支持領(lǐng)域。

圖1目標(biāo)目的地圖2跨領(lǐng)域技術(shù)目的地圖3技術(shù)領(lǐng)域PS（各技術(shù)領(lǐng)域代號(hào)）：TX01推進(jìn)系統(tǒng)

、TX02飛行計(jì)算和航空電子、TX03

航天動(dòng)力和能源儲(chǔ)存、TX05通信、導(dǎo)航和軌道碎片跟蹤和表征系統(tǒng)、TX06人類健康、生命支持和居住系統(tǒng)、TX07探索目的地系統(tǒng)、TX08傳感器和儀器、TX12制造，材料和結(jié)構(gòu)、TX14熱管理系統(tǒng)

二、時(shí)間線揭秘：NASA的石墨烯布局如何步步為營(yíng)2010-2015年：基礎(chǔ)研究階段，聚焦材料性能測(cè)試（如TX12.1.1）；2016-2020年：技術(shù)轉(zhuǎn)化期，啟動(dòng)電池、傳感器等應(yīng)用項(xiàng)目（如TX03.2.1、TX08.3.4）；2021年至今：規(guī)?；?yàn)證，多款原型設(shè)備進(jìn)入太空實(shí)測(cè)（如Artemis登月計(jì)劃相關(guān)載荷）。圖4技術(shù)成熟度三、技術(shù)突破：石墨烯如何破解太空“不可能三角”太空探索的終極難題，是同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化、高性能與極端環(huán)境耐受性。而石墨烯的登場(chǎng)，讓NASA找到了破局之鑰。1.傳感器：在金星表面“呼吸”的電子鼻傳感器技術(shù)是航天領(lǐng)域的重要組成部分，NASA在石墨烯傳感器的研發(fā)上也取得了重要成果。石墨烯傳感器具有高靈敏度和高選擇性，能夠檢測(cè)各種氣體和化學(xué)物質(zhì)，為航天器的環(huán)境監(jiān)測(cè)和生命支持系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)支持。此外，石墨烯傳感器還具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，能夠在極端環(huán)境下正常工作，為航天任務(wù)的安全性提供了有力保障。項(xiàng)目案例：Project146185（石墨烯頻率倍增器）：金星表面溫度高達(dá)460°C，傳統(tǒng)硅基電子設(shè)備幾分鐘內(nèi)就會(huì)熔化。NASA格倫研究中心的團(tuán)隊(duì)將石墨烯與碳化硅（SiC）結(jié)合，開(kāi)發(fā)出能在金星環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的通信系統(tǒng)。石墨烯的高頻響應(yīng)特性，使得探測(cè)器能以100MHz頻率傳回?cái)?shù)據(jù)——這相當(dāng)于在火山口直播4K視頻?！皼](méi)有石墨烯，我們甚至無(wú)法聽(tīng)到金星的心跳?！薄?xiàng)目負(fù)責(zé)人RobertRomanofsky其他項(xiàng)目案例：化學(xué)傳感器：開(kāi)發(fā)高靈敏度石墨烯傳感器，用于檢測(cè)氣體、揮發(fā)性分子（如Project11798、14754）。輻射探測(cè)器：基于石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GFET）的輻射傳感器（如Project11816）。環(huán)境監(jiān)測(cè)：用于極端環(huán)境（如金星表面高溫）的傳感器（如Project146185）?！?DMaterialsforEnergyHarvestingandSensing”項(xiàng)目專注于利用二維材料（包括石墨烯）設(shè)計(jì)和制造自供電傳感器。項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、清潔且可重復(fù)的二維材料處理工藝，建立計(jì)算模型預(yù)測(cè)材料性能變化，并分別進(jìn)行化學(xué)傳感器和能量收集裝置的研發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)兩者的集成。這種自供電傳感系統(tǒng)可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)航天器結(jié)構(gòu)完整性、采樣外星環(huán)境化學(xué)物質(zhì)或跟蹤宇航員健康狀況等多個(gè)方面，有望為太空探索提供無(wú)處不在的傳感能力。2.能源革命：從“電池焦慮”到“無(wú)限續(xù)航”NASA在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，特別是在高性能電池和超級(jí)電容器的研發(fā)上。例如，通過(guò)將石墨烯與金屬氧化物結(jié)合，開(kāi)發(fā)出的新型電池電極材料不僅提高了電池的能量密度，還顯著提升了其循環(huán)穩(wěn)定性。此外，石墨烯基超級(jí)電容器的研究也取得了突破，這些超級(jí)電容器具有高能量密度和高功率密度，能夠在短時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)和釋放大量電能，為航天器的能源管理提供了新的解決方案。電化學(xué)儲(chǔ)能：石墨烯電池或成深空探索“續(xù)航王牌”“TX03.2.1ElectrochemicalStorage:Batteries”（電化學(xué)存儲(chǔ)：電池）自2012年起多次立項(xiàng)，2023年仍被列為重點(diǎn)。突破方向：傳統(tǒng)鋰離子電池在極端溫度下性能驟降，而石墨烯電池可在-50°C至120°C穩(wěn)定工作，充電速度提升5倍。NASA已與麻省理工學(xué)院合作，研發(fā)用于月球夜間供電的固態(tài)石墨烯電池。戰(zhàn)略意義：為載人火星任務(wù)、深空站長(zhǎng)期駐留提供可靠能源保障。項(xiàng)目案例電池技術(shù)：石墨烯陰極用于鋰離子電池（如Project9222）；超級(jí)電容器：Project13731（柔性石墨烯儲(chǔ)能裝置）傳統(tǒng)鋰離子電池在-100°C的深空會(huì)徹底失效?？夏岬虾教熘行拈_(kāi)發(fā)的石墨烯超級(jí)電容器，不僅能在-150°C至200°C工作，還可像布料一樣折疊，為宇航服供電。太陽(yáng)能技術(shù)：石墨烯透明導(dǎo)電電極用于太陽(yáng)能帆Project146583（石墨烯-聚酰亞胺復(fù)合膜）這種厚度僅2微米的“宇宙風(fēng)帆”，強(qiáng)度比傳統(tǒng)材料高50倍，能讓探測(cè)器以50天文單位/年的速度飛向太陽(yáng)系邊緣。想象一下：用一張A4紙大小的材料，驅(qū)動(dòng)卡車大小的探測(cè)器！在太陽(yáng)能相關(guān)項(xiàng)目里，石墨烯同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用?！?5XFresnelLensPhotovoltaicConcentratorforDeepSpaceMissions”和“25xSpaceFresnelLensConcentratorUsing4(+)JunctionIMMSolarCellsandNyctinasticGrapheneRadiatorstoMitigateLILTEffectsforOuterPlanetMissions”這兩個(gè)項(xiàng)目中，都應(yīng)用了石墨烯散熱片來(lái)散發(fā)太陽(yáng)能電池的廢熱。特別是后一個(gè)項(xiàng)目，采用了受生物啟發(fā)的nyctinastic石墨烯散熱器，能像花朵在夜晚閉合一樣，在深空環(huán)境中減少電池溫度的急劇下降，有效緩解了傳統(tǒng)陣列的低溫（LT）問(wèn)題。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅提高了太陽(yáng)能電池的效率，還降低了成本和質(zhì)量，為深空探測(cè)的能源供應(yīng)提供了更優(yōu)方案。

能量收集：如“NASAEPSCoR:Theory-GuidedInnovationofHigh-PerformanceAll-Solid-StateBatteriesforNASAExplorationMissions”項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)高性能二氧化碳（CO?）催化劑和固態(tài)電解質(zhì)（SSEs），以加速固態(tài)鋰二氧化碳（SSLCB）電池的發(fā)展，用于太空探索任務(wù)的能量存儲(chǔ)。在材料選擇上，明確偏好基于石墨烯和多孔石墨烯的單原子催化劑。借助大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料基因組方法，快速篩選和發(fā)現(xiàn)有前景的材料，將理論建模與實(shí)驗(yàn)合成緊密結(jié)合。一旦成功，有望極大提升太空任務(wù)中能源存儲(chǔ)設(shè)備的性能，為長(zhǎng)期深空探索提供更可靠的能源保障。3.結(jié)構(gòu)材料：打造“鋼鐵俠”級(jí)的航天器輕量化材料（石墨烯助力航天器“減重強(qiáng)身”）：“TX12.1.1LightweightStructuralMaterials”（輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料）出現(xiàn)頻率高達(dá)8次，覆蓋2010至2023年，是NASA長(zhǎng)期投入的核心領(lǐng)域。技術(shù)亮點(diǎn)：石墨烯的強(qiáng)度是鋼的200倍，重量卻極輕，可大幅提升航天器的載荷效率。NASA近年測(cè)試的月球車原型、深空探測(cè)器外殼中，已嘗試融入石墨烯復(fù)合材料，目標(biāo)降低30%重量的同時(shí)增強(qiáng)抗輻射能力。未來(lái)應(yīng)用：火星基地建設(shè)、可重復(fù)使用火箭外殼等場(chǎng)景或?qū)?yōu)先受益。項(xiàng)目案例：石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料用于航天器結(jié)構(gòu)（如Project101956、9898）通過(guò)將石墨烯嵌入碳纖維復(fù)合材料，NASA將火箭燃料罐的裂紋抵抗能力提升42%，重量卻減少30%。未來(lái)，這或使火星飛船的運(yùn)載成本直降數(shù)億美元。

此外，在低溫應(yīng)用方面：石墨烯-聚合物納米復(fù)合材料可用于低溫燃料儲(chǔ)罐（如Project9898）。四、深空任務(wù)案例：石墨烯的六大高光時(shí)刻1.木衛(wèi)二冰下海洋的“化學(xué)獵手”Project94421開(kāi)發(fā)的毫米波石墨烯傳感器，能穿透數(shù)公里冰層，探測(cè)到濃度僅ppb級(jí)的有機(jī)分子——這相當(dāng)于在西湖中精準(zhǔn)定位一滴墨水。2.火星基地的“生命維持網(wǎng)”Project146880利用石墨烯膜過(guò)濾系統(tǒng)，可將宇航員尿液轉(zhuǎn)化為飲用水的效率提升至99.8%，且無(wú)需更換濾芯——這是邁向永久火星定居的關(guān)鍵一步。3.抗輻射“電子鎧甲”Project11526研發(fā)的石墨烯非易失性存儲(chǔ)器，在經(jīng)歷100萬(wàn)拉德輻射（相當(dāng)于核爆現(xiàn)場(chǎng)）后仍能正常工作，徹底改寫太空電子設(shè)備的防護(hù)邏輯。4.量子通信的“光之橋”哥倫比亞大學(xué)與NASA合作的Project91550，利用石墨烯-硅光子芯片，將深空通信速率提升至太比特/秒。未來(lái)，從火星傳回一部藍(lán)光電影只需1秒！5.太空3D打印的“魔法墨水”Project93983開(kāi)創(chuàng)的石墨烯3D打印技術(shù)，可直接在太空艙內(nèi)制造傳感器、天線甚至太陽(yáng)能板——NASA形容這是“用星塵鑄造工具”。6.太陽(yáng)系高速公路的“引力彈弓”Project125790研發(fā)的石墨烯-聚乙烯太陽(yáng)帆，厚度僅2.5微米卻比凱夫拉纖維更堅(jiān)韌，未來(lái)或幫助探測(cè)器無(wú)需燃料即可跨越星際。五、其他技術(shù)方向布局1、石墨烯在通信與電子設(shè)備中的應(yīng)用在電子設(shè)備領(lǐng)域，NASA的研究團(tuán)隊(duì)致力于將石墨烯應(yīng)用于高頻電子設(shè)備和柔性電子設(shè)備中。石墨烯的高電子遷移率使其成為制造高頻電子設(shè)備的理想材料，能夠顯著提升設(shè)備的性能和速度。同時(shí)，石墨烯的柔韌性和可彎曲性為柔性電子設(shè)備的發(fā)展提供了新的可能性，這些設(shè)備在未來(lái)的太空探索中將發(fā)揮重要作用，如可穿戴設(shè)備和柔性傳感器等。高頻通信：石墨烯頻率倍增器用于高溫通信系統(tǒng)（如Project146185）。光子器件：石墨烯激光器和光探測(cè)器（如Project10744、14744）。天線技術(shù)：柔性石墨烯相控陣天線（如Project18112）。項(xiàng)目案例：智能儀器的石墨烯革新：“Realizationofintelligentinstrumentsthroughtheintegrationofneuromorphicdeviceswithgassensorsenabledbytwo-dimensionalmaterials”項(xiàng)目則聚焦于智能儀器的設(shè)計(jì)革新。該項(xiàng)目提出通過(guò)使用包括石墨烯在內(nèi)的納米材料，將神經(jīng)形態(tài)設(shè)備與化學(xué)傳感器集成，打造全新的智能儀器范式。在項(xiàng)目任務(wù)中，對(duì)基于原子級(jí)薄的石墨烯的化學(xué)晶體管進(jìn)行制造、功能化和基準(zhǔn)測(cè)試，通過(guò)引入第三柵極端子，在大幅提升傳感器耐久性的同時(shí)降低功耗。還計(jì)劃利用基于硬件的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，進(jìn)一步提高傳感平臺(tái)的選擇性。這一項(xiàng)目若取得成功，將為未來(lái)太空科學(xué)儀器帶來(lái)智能化的飛躍，使其能夠更高效地完成各種探測(cè)任務(wù)。2、生命支持與環(huán)境控制水處理：石墨烯膜用于太空艙水回收（如Project146880）?？諝鈨艋菏┗^(guò)濾材料去除二氧化碳（如Project95563）。

六、合作模式——產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟：NASA的石墨烯“宇宙戰(zhàn)隊(duì)”NASA的石墨烯版圖絕非單打獨(dú)斗，而是一張橫跨學(xué)界、企業(yè)界的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)：學(xué)術(shù)界：例如麻省理工學(xué)院主導(dǎo)柔性電子（Project93927）、西北大學(xué)攻堅(jiān)輻射防護(hù)（Project11526）。企業(yè)伙伴：例如結(jié)構(gòu)化材料公司（SMI）研發(fā)石墨烯導(dǎo)線，導(dǎo)電率超銅30%，重量卻輕如鴻毛；MarkO’NeillLLC設(shè)計(jì)出25倍聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)，效率突破35%，成本僅為傳統(tǒng)衛(wèi)星電池的1/5。NASA中心協(xié)同：戈達(dá)德中心專注傳感器，格倫中心專攻高溫器件，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）則化身“外星環(huán)境測(cè)試場(chǎng)”。圖5NASA外部合作伙伴占比圖，其中在NASA的外部合作伙伴中來(lái)自學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界占比超過(guò)80%。圖6牽頭和支持組織PS（NASA內(nèi)部機(jī)構(gòu)縮寫）：ARMD（AeronauticsResearchMissionDirectorate）：航空研究任務(wù)理事會(huì)；ESDMD（EarthScienceDivisionoftheScienceMissionDirectorate）：科學(xué)任務(wù)理事會(huì)下屬的地球科學(xué)部；MSD（通常指MicrogravitySciencesDivision）：微重力