Космическое излучение высокой энергии повреждает клетки и ДНК, вызывая рак, а вторичные нейтроны, особенно генерируемые от поверхностей планет, могут быть в 20 раз более вредными, чем другие виды радиации. Алюминий, наиболее широко используемый защитный материал, имеет недостаток — при определённой толщине он генерирует дополнительные вторичные нейтроны.
Борнитнитридные нанотрубки (BNNTs) как альтернатива
В связи с этим борнитнитридные нанотрубки (BNNTs) — лёгкие, прочные и обладающие отличными возможностями защиты от нейтронов — становятся многообещающей альтернативой.
BNNTs имеют ультратонкий диаметр около 5 нанометров — примерно в 20 000 раз тоньше человеческого волоса, что делает их чрезвычайно лёгкими и прочными, с отличной способностью поглощения тепловых нейтронов. Однако из-за ограничений в технологии производства они пока что производятся только в виде тонких и хрупких листов, что ограничивает их практическое применение.
Разработка защитного щита из BNNTs
Исследовательская группа под руководством доктора Джанг Сегю в Центре исследований функциональных композитных материалов Корейского института науки и технологий (KIST) и исследовательская группа под руководством профессора Чхве Сиёнга в Департаменте био- и химической инженерии Корейского передового института науки и технологий (KAIST) разработали защитный щит высокой плотности из BNNTs. Этот щит, созданный из плотно упакованных BNNTs, отличается прочностью, эффективно проводит тепло и эффективно блокирует космическую радиацию.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Исследовательская группа разработала технику, которая позволяет BNNTs стабильно диспергироваться в воде без агломерации с помощью поверхностно-активного вещества (додецилбензолсульфоновая кислота), соединения, обычно встречающегося в мыле. Это позволило команде получить BNNTs в виде высококонцентрированного жидкого кристалла, в котором нити нанотрубок естественным образом выстраиваются в одном направлении. Используя жидкий кристалл BNNT, команда изготовила плёнки BNNT с высокой степенью выравнивания и плотности.
Полученная плёнка BNNT продемонстрировала более чем в три раза более высокую плотность и примерно на 3,7 раза улучшенные характеристики защиты от нейтронов по сравнению с обычными хрупкими листами BNNT. Кроме того, она была гибкой, но при этом прочной, что делает её пригодной для применения в различных конструкционных системах.
Совместные симуляции с NASA
Совместные симуляции, проведённые с NASA, показали, что плёнка BNNT демонстрирует примерно на 15% более высокую эффективность защиты от радиации, чем алюминий при одинаковой массе и толщине. Другими словами, её превосходство в качестве материала для защиты от космической радиации было косвенно подтверждено.
При нанесении на соответствующую толщину плёнка BNNT может обеспечить защиту от радиации для лунных астронавтов, сравнимую с уровнями безопасности Международной космической станции (МКС).
Это достижение может увеличить продолжительность миссий примерно в два раза, что делает её ключевой технологией для будущих долгосрочных космических исследований и строительства лунных и марсианских баз.
Применение BNNT-плёнки
В будущем плёнка BNNT может быть использована в лёгких конструкциях защитных оболочек космических аппаратов, защитных барьерах для лунных и марсианских баз, а также в материалах для космических скафандров. Эти применения, как ожидается, внесут значительный вклад в безопасность космической деятельности человека и укрепление технологической конкурентоспособности в эпоху «Нового космоса».
Доктор Джанг Се Гyu из KIST заявил: «Это достижение знаменует прорыв в преодолении ограничений в производстве и обработке, которые препятствовали практическому применению BNNT в качестве космического радиационного щита. Особенно важно то, что мы значительно улучшили характеристики защиты от нейтронов за счёт максимизации плотности и выравнивания BNNT».
«Учитывая его механическую прочность и отличную теплопроводность, BNNT обладает большим потенциалом в качестве универсального материала следующего поколения для использования не только в космосе, но и в аэрокосмической, оборонной и атомной энергетике, а также в других передовых отраслях».