數十年來，航天器設計師一直面臨著知識上的一個不便之處。實驗室可以模擬太空環境的某些部分，例如紫外線輻射、熱循環與真空，但從未能同時以正確的強度、持續的時間，在真實的微重力環境下進行全方位的模擬。真正瞭解太空對材料的影響的唯一方法是將其放置於太空中。直到最近，大多數送上太空的硬體從未再返回地球。由喬治亞理工學院研究所（GTRI）領導的團隊正在縮小這一知識差距。
該團隊與喬治亞理工學院、美國空軍研究實驗室、德克薩斯大學埃爾帕索分校、Hedgefog Research Inc.及杜邦公司合作，將一批精心挑選的新型輕質研究級聚合物送往國際空間站，作為材料國際空間站實驗 22（MISSE-22）的一部分，而這些樣本在任務結束後將返回地球進行詳細的實驗室分析。
MISSE-22 實驗將推動航天材料研究的進步
樣本返回的重要性改變了一切。大多數航天器硬體都是為單程旅行設計的——它們在軌道上運行，進入大氣層時燒毀，將累積的退化數據帶走。MISSE-22 由 Aegis Aerospace 在國際空間站外部的飛行設施平台上運營，專門設計用於回收。對於 GTRI 的首席研究員 Elena Plis 來説，這一區別至關重要。她表示，這類實驗的美妙之處在於，材料將返回地球。能夠測試來自真實太空條件的樣本是獨一無二的，她強調對團隊來説，這是多麼令人興奮的機會。
MISSE-22 測試平台安裝在國際空間站的正面，這一面迎向站點的運行方向，最大限度地暴露於原子氧之下，這是低地球軌道中最具腐蝕性的力量之一。在 100 到 1,000 英里之間的高度，極具反應性的氧原子不斷轟擊暴露的表面，隨著時間推移使材料變暗、變粗糙且變弱。再加上極端温度變化——每次軌道中陽光照射和陰影部分之間的温度差異超過 300°F——以及複雜的宇宙輻射，這一環境比地球上的任何實驗室都無法完全複製。
團隊選擇了新型聚合物作為候選材料，旨在提高其在這些條件下的生存能力，同時減少工程師目前必須添加的保護質量，以補償材料退化。只有符合嚴格標準的樣本才能入選：它們必須是透明或半透明的，以允許光學分析，並且結構足夠堅固，能夠承受原子氧的侵蝕而不會破碎，從而在站點附近產生碎片。
新技術將提升材料監測的準確性
為了在樣本在軌道上的幾個月期間進行監測，團隊建造了一種自定義的在軌偏光儀，這是一種在 MISSE 上從未使用過的設備。每個樣本下方的 LED 燈發出偏振光，穿過材料向上照射。一個小型攝像系統會按照預定計畫滑過樣本上方，捕捉聚合物內部的應力模式如何隨著太空環境的影響而變化。這些圖像會定期傳輸回地球。機器學習算法將分析每張傳輸圖像中的顏色模式，跟蹤內部應力分佈在任務期間如何演變——為研究人員提供一個持續監控材料結構狀況的窗口，而無需等待樣本的返回。
樣本著陸後，團隊將把這些遠程測量與對實際飛行樣本的直接實驗室測試進行比較。這種比較——在軌道上的光學數據與實際材料的真實數據之間的對比——將使研究人員能夠驗證和改進其遠程感測方法，形成一個反饋迴路，使未來的軌道監測更為準確。
如果材料的表現如預期，結果將幫助工程師建造更長壽命的衞星，而不必承擔重型保護塗層的重量懲罰——隨著商業和政府操作方推動向更大、壽命更長的星座發展，這是一個顯著的優勢。從衞星上去除的每一公斤保護層，均可轉化為燃料、有效載荷或結構邊際。
