В наше время космические полеты стали привычным делом. Однако за пределами земной атмосферы людей подстерегает невидимая угроза — радиация. Она выводит из строя технику и несет риски для здоровья, оставаясь ключевым барьером на пути человечества к долгосрочным миссиям. Найти решение удалось доктору технических наук, ведущему научному сотруднику Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова Наталье Черкашиной. Она разработала композиты, устойчивые ко всему спектру космического излучения, за что в 2024 году была удостоена премии Президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых.
Из чего сделаны такие материалы? Как они могут улучшить конструкции для космических кораблей? И при чем здесь экология? Подробностями с порталом Наука.РФ поделилась автор проекта.
Против фотонов и протонов
Хотя уровень космической радиации серьезной угрозы для космонавтов сейчас не представляет, проблема остается актуальной. Особенно если говорить о будущих программах освоения дальнего космоса. Ученым важно понять, как на человека, а также аппараты, оснащенные необходимым оборудованием, влияют разные виды излучения. А их в космосе немало: заряженные частицы и протонные бури, возникающие в результате солнечной активности; рентгеновские и гамма-лучи; потоки быстрых нейтронов и многие другие.
Когда строили космическую станцию, защите от радиации уделяли недостаточно внимания, отмечает доктор технических наук, ведущий научный сотрудник БГТУ им. В. Г. Шухова Наталья Черкашина. Основная часть его конструкции сделана из алюминиевых сплавов (95% алюминия и 5% дополнительных элементов). Такое сочетание создает легкую и при этом механически прочную оболочку, но не слишком устойчивую к заряженным частицам.
«Толщина стенки модулей МКС в среднем составляет всего несколько миллиметров. Даже если бы можно было перестроить станцию, изменить ее объем не получится. Подъем каждого килограмма для космоса — на вес золота. Поэтому нужны тонкие материалы, но с высокой степенью защиты. Этот вопрос связан не только с текущим пребыванием космонавтов на МКС, но и лунными, марсианскими миссиями», — говорит эксперт.
Повышенная надежность
Чтобы решить задачу, ученые исследуют свойства материалов, которые подходили бы по этим параметрам и могли бы сдержать силу всех видов космического излучения. Одну из таких наработок протестировали на российском сегменте МКС. В каюте установили шторку-экран, состоящую из водосодержащих материалов. Это позволило снизить воздействие радиации на организм человека до 40%. Но у такого метода есть недостатки. Материал имеет большую толщину (до десяти сантиметров) и защищает исключительно от нейтронов.
Более перспективное решение разработали белгородские специалисты, предложившие использовать полимерные композиты — термостойкие матрицы. Внешне они выглядят как прессованный порошок. Размер его частиц составляет 6–20 микрометров (один микрометр равен 10-6 метра). В качестве наполнителя подобрали металлосодержащие порошки. Равномерно распределив эти компоненты в полимерной оболочке, ученые получили прочный материал, подходящий для обшивки корпусов и панелей космических конструкций.
Тонкости производства
Хотя устройство нового композита может показаться относительно простым, создавать подобные материалы — процесс трудоемкий. Нельзя просто взять и перемешать несколько компонентов, замечает ученый. Наночастицы могут агрегироваться, слипаться, либо оказываются недостаточно плотными, в результате чего продукт буквально рассыпается в руках.
Значимую часть работы сотрудники лаборатории посвятили тому, чтобы получить прочную оболочку, удерживающую все элементы. Для этого порошкообразные компоненты перемешивали и измельчали в вибрационной мельнице при криогенной температуре.
Композиты синтезируют методом твердофазного компактирования — технологического процесса, с помощью которого объединяют матрицу и наполнитель в условиях высоких температуры и давления. Затем готовые изделия отжигают при температуре 350 °С. В результате лабораторных исследований выяснилось, что полимерный материал превосходит металлические аналоги по физико-механическим характеристикам. По сравнению с алюминием, он более плотный и прочный, при этом его сложнее деформировать.
Испытания в космосе
Разработка ученых уже успела побывать на МКС. Испытания проводили совместно с Роскосмосом и Центром подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина: в 2022 году на станцию доставили два цилиндрических контейнера, созданных из полимерного композита. Внутри и снаружи образцов разместили детекторы для регистрации дозы радиации. Спустя несколько лет результаты показали, что при толщине материала в один сантиметр радиация снижалась в два раза.
«Но это максимальный показатель. Когда мы говорим о радиационной защите в космосе, нельзя точно сказать, насколько эффективно композит будет противостоять радиации. Все зависит от 11-летнего солнечного цикла, в какую сторону повернута станция и других условий. Поэтому в разное время радиация снижалась на 30-100%», — поясняет автор проекта.
Тем не менее эксперимент показал, что композит успешно защищает практически от всех видов радиации, демонстрируя незначительную проницаемость лишь для нейтронного излучения. В настоящее время ученые дорабатывают материал, после чего он будет готов к внедрению. Благодаря этому композиту также можно будет использовать стандартную микроэлектронику взамен дорогостоящей.
И для экологии тоже
Материал сделан из биоразлагаемого полимера — полилактида и модифицированных сырьевых отходов: шелухи овса и гречихи, лузги подсолнечника, соломы пшеницы, скорлупы грецкого ореха и фундука. Подобная продукция уже появлялась в мировой научной практике, но, как правило, растительное сырье для таких изделий предварительно не обрабатывалось. Из-за этого возникал риск появления патогенных микроорганизмов.
«Многие спрашивают: где космос, а где биоразлагаемые полимерные композиты. На самом деле все закономерно. Технологию, которую мы тестировали в космосе — оболочку, вмещающую множество металлосодержащих наполнителей — мы переняли для биоразлагаемых материалов. Только на этот раз ввели в матрицу отходы растительного производства. Обычно в экологичных продуктах растительное сырье составляет 5-10%, а в нашем занимает до 50-60%», — объясняет ведущий научный сотрудник БГТУ им. В. Г. Шухова.
Научные связи
Такие исследования ученые проводят в молодежной лаборатории, созданной в 2021 году в Белгородском государственном технологическом университете благодаря нацпроекту «Наука и университеты». На площадке, оснащенной современным аналитическим оборудованием, специалисты изучают материалы для космических и земных задач.
«Здесь работают молодые ребята, студенты и аспиранты, которым нравится заниматься наукой. Кто-то решает вопросы в области радиационной защиты, а кто-то — быстроразлагаемых полимерных композитов», — рассказывает руководитель лаборатории, доктор технических наук Наталья Черкашина.
Например, испытания полимерных материалов в экстремальных условиях проводят с помощью специальной камеры, имитирующей воздействия космоса. Разработку также проверили на специальных ускорителях совместно с Томским государственным университетом и московскими вузами.
В ближайшем будущем ученые БГТУ им. В. Г. Шухова продолжат сотрудничество с Роскосмосом. Внедрение новых разработок для космоса требует времени, поскольку все передовые технологии начинаются с фундаментальной науки, поясняет Наталья Черкашина.
«У наших исследований, конечно, есть прогнозируемые сроки. Но сейчас многие корпорации понимают, что дальнейшее продвижение идет только за счет научной сферы и быстрых результатов быть не может. К счастью, никаких трудностей у нас на пути нет. На мой взгляд, любую проблему можно решить. Нужно только приложить усилия», — заключает автор проекта.
Анна Шиховец
