Technika
ZBLAN – nowe odkrycie branży światłowodowej?
Rezultatem eksperymentu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) były pierwsze długie odcinki włókna ze szkła ZBLAN. Włókno jest znacznie wytrzymalsze od tego, które produkuje się na Ziemi, gdzie jego podatność na krystalizację pogarsza właściwości optyczne.
Luksemburska firma Flawless Photonics oraz Adelaide University wytworzyły na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) pierwsze długie odcinki światłowodu ze szkła ZBLAN. Podczas miesięcznego eksperymentu powstało łącznie 11,8 km włókna, w tym jeden ciągły odcinek o długości 1,1 km. Wyniki pokazują, że produkcja w mikrograwitacji przynosi wymierne korzyści, ale znacznie mniejsze, niż liczyli na to zwolennicy tej technologii. W przypadku światłowodów typu step-index włókna wyprodukowane na orbicie miały wyraźnie mniejsze tłumienie (straty sygnału) niż te wyciągnięte na Ziemi. Oznacza to, że w tym typie włókna mikrograwitacja realnie poprawiła parametry optyczne. Nie dotyczyło to jednak prostszych włókien single-index, w których nie stwierdzono mierzalnej różnicy.
Dlaczego ZBLAN interesuje branżę?
ZBLAN to fluorkowe szkło z metali ciężkich. Jego nazwa pochodzi od pierwszych liter składników: cyrkonu (Zr), baru (Ba), lantanu (La), glinu (Al) i sodu (Na). Teoretycznie może przesyłać światło ze stratami wynoszącymi zaledwie 1 proc. strat typowych dla szkła krzemionkowego, a przy tym pozostaje przezroczyste od ultrafioletu po średnią podczerwień. Dlatego uważa się je za potencjalną drogę do transmisji na przestrzeni oceanów bez wzmacniaków (repeaterów) w podmorskich kablach telekomunikacyjnych.
Co pokazał eksperyment na ISS?
Zespół użył kompaktowej wieży do ciągnięcia włókna i wyciągał je z preform, czyli pełnych walców szkła o różnych recepturach. Próbki po powrocie na Ziemię w automatycznej kapsule SpaceX trafiły do pięciu laboratoriów razem z włóknami wytworzonymi w identycznej wieży w zakładzie firmy w Luksemburgu.
Wyniki zależały od typu włókna:
- Włókna step-index: wytworzone na orbicie miały wyraźnie mniejsze tłumienie niż ziemskie odpowiedniki. Były też o 80 proc. wytrzymalsze. Inżynierowie zauważyli to przypadkiem, gdy maszyna do przewijania się zacięła, a włókno, wbrew oczekiwaniom, nie pękło.
- Włókna single-index: próbki z orbity były nieco wytrzymalsze, ale pod względem optycznym nie stwierdzono mierzalnej różnicy między włóknami z kosmosu i z Ziemi.
Według prof. Heike Ebendorff-Heidepriem z Adelaide University, która kierowała badaniami nad szkłem, krystalizacja zwykle obniża stabilność mechaniczną szkła, więc wzrost wytrzymałości potwierdza wpływ mikrograwitacji.
Zanieczyszczenia ważniejsze niż grawitacja
Z obliczeń Flawless Photonics wynika, że w najlepszym razie mikrograwitacja pozwala dwukrotnie zmniejszyć straty w porównaniu z konwencjonalnym włóknem ZBLAN. Potencjał teoretyczny to poprawa stukrotna. Do jego osiągnięcia trzeba rozwiązać dwa problemy związane z samymi preformami:
- Defekty strukturalne. Pęcherzyki i drobne kryształki powstają przy wlewaniu stopionego szkła do formy i zostają uwięzione po jego zastygnięciu. Rozpraszają światło niezależnie od miejsca produkcji włókna.
- Zanieczyszczenia. Ślady metali przejściowych (żelaza, kobaltu, niklu i miedzi) pochodzące z surowców silnie pochłaniają światło przy określonych długościach fali. Nawet włókno bez pęcherzyków i kryształów traciłoby przez nie sygnał na dystansie.
John Ballato, materiałoznawca z Clemson University, który nie brał udziału w badaniach, ocenia, że problem zanieczyszczeń podważa dotychczasowe uzasadnienie produkcji światłowodów w kosmosie. Jego zdaniem o przejrzystości i stratach fluorków decyduje czystość surowców, a samo topienie w kosmosie nie rozwiązuje tej kwestii. Dopuszcza jednak, że przy skalowaniu produkcji krystalizacja może znów stać się problemem i wtedy mikrograwitacja mogłaby okazać się przydatna.
Hubert Moser, współzałożyciel i dyrektor technologiczny Flawless Photonics, przyznaje, że czystość składników trzeba poprawić, ale jest to bardzo kosztowne. Według Ebendorff-Heidepriem osiągnięcie poziomu czystości potrzebnego do wyeliminowania większości strat transmisyjnych będzie dużym wyzwaniem.
Ekonomia i przyszłość produkcji na orbicie
ZBLAN jest dziś materiałem specjalistycznym, sprzedawanym ze znaczną marżą względem szkła krzemionkowego. Koszt ciężkich startów na niską orbitę okołoziemską spadł od 1980 roku o 95 proc. Moser przekonuje, że przy dłuższych odcinkach włókna koszt wystrzelenia przestanie być czynnikiem decydującym.
Ograniczeniem jest zależność od astronautów na ISS, która ma zostać wycofana z eksploatacji w 2030 roku. Firma rozważa dlatego m.in. prywatne stacje kosmiczne i zautomatyzowane moduły orbitalne. Do wad produkcji kosmicznej należy też wpływ na środowisko. Badanie z 2022 roku wykazało, że sadza z rakiet ma około 500 razy silniejszy efekt ogrzewający atmosferę niż sadza z lotnictwa i innych źródeł naziemnych, a częste starty mogą według niektórych modeli przyczyniać się do ścieńczenia warstwy ozonowej.
Kolejny eksperyment, prawdopodobnie ostatni na ISS, Flawless Photonics planuje na połowę 2027 roku. Równolegle zespoły testują metody wytwarzania lepszych preform, m.in. wstępną obróbkę ZBLAN w krótkich okresach mikrograwitacji w wieży zrzutowej niemieckiej uczelni.
Ballato radzi firmom, które chcą budować biznes światłowodowy w kosmosie, by najpierw pracowały z najlepszym możliwym szkłem fluorkowym, a dopiero potem poddawały je obróbce w kosmosie, bo wtedy okaże się, czy mikrograwitacja daje realną przewagę.
