В ходе экспериментов он успешно сопротивлялся уносу частиц потоком газа и за время, сопоставимое со спуском из космоса к поверхности Красной планеты, потерял порядка 0,2 % своей массы. Сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН и Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН уверены, что материал можно будет использовать для защиты спускаемых аппаратов при входе в атмосферу Марса.
Как пояснили специалисты, газовая оболочка Красной планеты на 95 % состоит из углекислого газа. При этом она в 80 раз менее плотная, чем земная. Но даже в такой среде высокая скорость входа планетных зондов в атмосферу будет создавать сильный нагрев. При этом молекулы CO₂, распадаясь на угарный газ и активный атомарный кислород, будут разрушать материал.
Среди кандидатов, которые устойчивы в таких условиях, рассматривают ультравысокотемпературную керамику. Это класс материалов, которые способны выдерживать нагрев свыше 2000 °C, при этом обладают высокой стабильностью, теплопроводностью и стойкостью к окислению. В частности, в работе был исследован состав ZrB2 — 30 об. % SiC, модифицированный 10 об. % графита.
По словам исследователей, это композит, основу которого составляет тугоплавкое соединение диборид циркония (ZrB2). Чтобы усилить окислительную стойкость в материал добавили карбид кремния (SiC), а для улучшения некоторых механических свойств — графит (одна из форм углерода). Их доли составили 30 % и 10 % соответственно. Итоговый материал получили методом горячего прессования при температуре 1800 °C и давлении 30 МПа.
В ходе эксперимента полученные образцы закрепили в медной водоохлаждаемой модели и при давлении в барокамере порядка 10 кПа (примерно 0,1 атм) подвергли воздействию высокотемпературного потока CO₂-плазмы — потока заряженных частиц, образованных из распавшегося углекислого газа. Такую струю создавали с помощью специальной установки — плазмотрона. Во время испытаний его мощность ступенчато повышали.
Испытания показали, что даже при максимальной мощности температура поверхности образца не превысила 1450°C. В результате из-за относительно невысокой температуры скорость абляции — уноса материала потоком газа — оказалась незначительной. Всего в ходе испытаний, по времени с сопоставимых со спуском аппаратов в атмосфере Марса, потеря массы образцов составила 0,2 %.
Как отметили учёные, толщина окисленного слоя, который образовался на поверхности, в процессе тестов также увеличилась незначительно. Основным кристаллическим продуктом этой реакции стал моноклинный диоксид циркония (ZrO2). Также обнаружились следы тетрагонального диоксида кремния (SiO2).
Микроструктура окисленной поверхности оказалась похожа на ту, что образуется при окислении в статическом воздухе при температурах ниже 1750–1800 °C. При этом, несмотря на высокое содержание графита в материале, признаков его выгорания с образованием дефектов учёные не обнаружили. Как предположили специалисты, защитную функцию взял на себя боросиликатный расплав — стекловидная масса, которая образовалась на поверхности материала.
«Анализ полученных данных показывает, что выбранные режимы воздействия высокоэнтальпийного потока CO2-плазмы, приближенные к условиям входа в атмосферу Марса, не приводят к значимой деградации керамического композита состава (ZrB2–30 об. % SiC)–10 об. % C(графит), полученного методом горячего прессования при температуре 1800 °С. В частности, скорость уноса составила 3.1 × 10–4 г см–2 мин–1, что, вероятно, связано с относительно невысокими температурами, установившимися на поверхности в ходе эксперимента», — сообщили авторы публикации.
По их словам, полученные данные позволяют сделать вывод о перспективности композита для защиты наиболее термонагруженных узлов спускаемых аппаратов в марсианской атмосфере. Однако современные требования к космической технике могут диктовать высокую устойчивость новых материалов в условиях тепловых потоков с высокой плотностью и давлением, поэтому необходимы дальнейшие систематические исследования.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Результаты опубликованы в «Журнале неорганической химии» (10, 2026).
