离子液体与航空？离子液体在航空领域的应用

图中是2013年连接到国际空间站外部的MISSE-8上的试验样品盘。这些样本盘上盛着环氧树脂离子液体的样品（ionic liquid epoxy samples）。这些液体能够帮助制造未来航天器的复合材料低温储罐。 (Credits: NASA)

像图中这种由离子液体基环氧树脂(ionic liquid-based epoxy）和商业碳纤维(commercial carbon fibers)制成的复合包装材料压力罐马上就要在阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心进行低温和压力测试。(Credits: NASA)

材料国际空间站试验（Materials International Space Station Experiments，MISSE）连接到空间站的外部已经十年了。在那里，超过4000种材料暴露在恶劣的太空环境中，这其中包括一种叫做离子液体的特殊液体和一种新型环氧树脂。科学家们目前正在研究这两种液体是如何抵御轨道外部环境的。这种类型的液体都具备较低的熔点，并不像普通化学物质一样易燃。它们通常蒸气压很低，这意味着它们不容易蒸发，并且更容易保存在真空中。

“因为离子液体的独特的化学性质，我们可以在它们的帮助下，使用类似烤面包的温度来在月球或者火星的土壤中提取金属和氧。”马歇尔中心的材料学家Laurel Karr 说，“被提取的金属可以用作3D打印材料，而氧气可以维持生命或用作推进力。

Karr 表示，离子液体可以用来溶解火星表面的风化层，无论是对人类还是机器人而言，探索者们通常用于探查火星的钻头寿命都会因此得以延长。

“我们钻入行星或者小行星的表面来获得地质研究的样本，” Karr说。“有了这种液体，我们可以获取液体状态的样本，直接在钻取现场进行化学研究。”

NASA对这些离子液体有兴趣不仅因为它们对于探索任务的很多用途，还因为它们是环保的化学品。对比目前在地球上使用的提取贵金属的方式，使用离子液体从矿物中提炼金属可以避免对环境造成不良影响。例如，按常规方法提取镍需要在1350摄氏度的环境下使用硫酸来融化材料。因为酸的毒性，这种方式在封闭的航天器里是不切实际的，而离子液体可以在200摄氏度的陨石中提取镍。

此外，科学家们也在探究另一种可能性——利用离子液体从空气提取二氧化碳，将其分解成用于呼吸的氧气和用于推进的甲烷，从而在太空中维持生命。许多种离子液体在经过过滤后或在电解或氢化后，甚至可以被制成有用的、可回收的材料，在太空中或地球上使用。

离子液体中让人充满兴趣的一种是环氧树脂。Richart Grugel ，马歇尔中心的一位材料学家，已经和他的同事系统地研究了离子液体制成的环氧树脂，发现它们非常坚固，能够很好地结合碳纤维，还可以忍耐低极端的温液氢液氧温度。

2013年，在MISSE-8上对两种不同类型的离子液体的环氧树脂进行了试验。在暴露在太空环境中暴露两年以后，环氧树脂恢复了原来的状态后被航天器“X空间龙”带回地球。液体的测试样本显示出了经过太阳紫外线辐射而产生的阴影，但是并没有裂缝，没有脱开粘接，也没有发现重量和粘连性的变化。

“这些属性表明环氧树脂可用于制造碳纤维复合材料低温液体储存罐，“Grugel说。“这种存储罐会比目前用于发射航天器的铝制罐轻很多。”

细微裂痕会导致漏水，这是早期复合材料低温存储罐设计一直所面临的挑战。马歇尔中心一直在进行关于复合包装压力罐（小型金属罐子外面包裹离子液体环氧树脂制成的商业碳纤维）的测试，目的是确认这种离子液体到底能否用于构建这种储存罐，使它们更强韧。