Пять стихий: космос

Наш пятый материал в цикле «Пять стихий», который N+1 осуществляет совместно с НИТУ «МИСиС», следовало бы, по примеру средневековой натурфилософии, посвятить эфиру. Древние мыслители полагали, что эта среда, внутри которой распространяется свет от Солнца, заполняет собой пространство высоко над поверхностью Земли. Но мы живем не в средние века и даже не в XIX веке, когда знаменитый опыт Майкельсона-Морли опроверг существование эфира. Поэтому мы знаем, что над нами располагается не какой-то там эфир, а самый настоящий космический вакуум, в котором редкая частица коснется творения материаловеда.

Впрочем, было бы ошибкой считать, что в космосе искусственным материалам ничего не угрожает, в отличие от трения о воздух или землю, коррозии в воде или сгорания в огне. Как известно, при разработке материалов для космических кораблей необходимо учитывать огромное количество факторов. Во-первых, в открытом космосе не работает охлаждение путем теплопередачи: там попросту нет частиц, которые могли бы уносить с собой тепло. Из-за этого поверхность Международной космической станции (МКС), которая находится на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, раскаляется до сотни градусов Цельсия. Во-вторых, в космическом пространстве присутствует много высокоэнергетических частиц и ионизирующее излучение — если объекты на Земле от их воздействия спасает атмосфера, то в космосе они способны создавать дефекты в материалах и нарушать их структуру. Сюда же можно отнести значительно более редкие микрометеороиды: недавно столкновение с миллиметровой песчинкой оставило 40-сантиметровую вмятину на спутнике Sentinel-1A европейской программы.

В-третьих, важно помнить, что в вакууме многие материалы начинают испаряться — по аналогии с тем, как вода закипает при меньших температурах в разреженном высокогорном воздухе. Ну и, в-четвертых, нельзя забывать о том, что чем тяжелее аппарат, который мы намерены доставить на орбиту, тем дороже нам обойдется его запуск. Совокупность всех этих факторов ставит перед материаловедами непростую задачу. Которая, впрочем, успешно решается — буквально в прошлом году человечество достигло ранее неисследованных рубежей Солнечной системы (речь идет о Плутоне), а вокруг Земли летает около тысячи активных спутников. Рассмотрим по порядку, с чем пришлось столкнуться специалистам.

Теплоизоляция

Потребность в теплоизоляции космического аппарата возникает еще до того, как он окажется в космосе. Головной обтекатель ракеты-носителя, поднимающейся в плотных слоях атмосферы, раскаляется до температур порядка тысячи градусов Цельсия из-за трения о воздух. Срок его работы — всего 5-6 минут (347 секунд для «Протона-М»), но все это время он должен обеспечивать идеальную аэродинамику ракеты.

Придать обтекателю огнеупорность можно с помощью керамических плиток: к примеру, керамика на основе оксида циркония или карбидов выдерживает воздействия температур в три тысячи градусов Цельсия. Но керамические плитки — хрупкие изделия, способные повредиться из-за резкого нагрева и расширения. Поэтому основу современных головных обтекателей составляют композитные материалы, углепластики и стеклопластики. Помимо большей упругости, они еще и гораздо легче металлических или керамических плит. На многослойные кожухи из этих материалов дополнительно наносят керамические теплозащитные покрытия.

Как ни странно, даже после выхода в космос аппарат необходимо защищать от перегрева. Отдавать поглощенное тепло от Солнца в вакууме можно единственным способом, испуская его в виде излучения. Нарушение этого процесса недопустимо. Так, именно перегрев стал причиной поломки «Лунохода-2» — предпоследнего лунного аппарата, опустившегося на поверхность спутника Земли в 1973 году. Небольшое количество грунта попало на радиатор лунохода и нарушило его тепловой баланс, после чего 4-месячная миссия устройства прервалась.

Специально для защиты от перегрева аппараты оборачивают отражающей (металлизированной) или белой полимерной пленкой. Иногда, например, в случае телескопа «Джеймс Уэбб», из материала создают специальный защитный «зонтик», полностью перекрывающий доступ солнечного света к аппарату.

Защита солнечных батарей

Исходя из принципов высокой эффективности при минимальном весе, солнечные батареи космических аппаратов тоже отличаются от наземных. Это многослойные элементы, напоминающие собой сандвич, каждый компонент которого работает со своей частью спектра.

Простейшая солнечная батарея состоит из пары слоев полупроводников, покрытых сеткой металлических контактов. Чтобы фотон, упавший на фотоэлемент, стал источником тока, он должен поднять энергию одного из электронов материала и перенести его на другой энергетический уровень. Энергия, которая для этого требуется, у каждого материала своя, и если фотоны «не дотягивают» до этого уровня, то никакого тока в элементе не возникнет. Поэтому каждая пара полупроводников эффективно работает в своем участке спектра.

Идея многокаскадных батарей состоит в том, чтобы сделать внутри устройства сразу несколько пар полупроводников, расположенных друг над другом, охватывающих более широкую область спектра. Такие элементы на практике имеют эффективность более 30 процентов, что близко к теоретическому, не достигнутому пока максимуму кремниевых солнечных батарей.

Сейчас традиционно используется сандвич, состоящий из трех каскадов: индий-галий-фосфорного, арсенидно-галиевого и германиевого. Кстати, он лучше кремниевого выдерживает бомбардировку ионизирующим излучением. Дело в том, что причины снижения КПД батареи в космосе связаны с возникновением дефектов в материале, возникающих вследствие такой бомбардировки. С ними можно бороться любопытным способом — периодически отжигая солнечную батарею, разогревая ее до 400 градусов Цельсия. Правда, пока на практике этот метод воплощен не был.

Радиационная защита 

Самой большой проблемой для бортовых компьютеров космических аппаратов являются повреждения памяти или процессоров ионизирующим излучением. Попадание высокоэнергетичного фотона может запросто отключить один или несколько транзисторов в управляющей схеме, а это грозит отключением всего устройства. Казалось бы, обезопасить схему управления можно, поместив ее внутрь свинцового ящика, но и тут не все так просто. Материал ящика сам по себе станет источником вторичного излучения, которое в случае частиц очень высоких энергий будет достаточно ощутимым.

Поэтому бороться с радиацией приходится скорее не столько с помощью новых материалов, сколько путем правильного построения логики процессора. В радиационно-защищенных микросхемах, помимо специального напыления, каждая логическая цепочка дублируется три и более раз. В результате, если сбой все-таки произошел, компьютер выбирает результат расчета, который предложило наибольшее количество логических цепей.

Дублирование доходит до того, что в американском марсоходе «Кьюриосити», например, стоят два идентичных радиационно-защищенных бортовых компьютера. Отсутствие должной защиты приводит к авариям: к примеру, из-за сбоя в электронике, связанного с попаданием тяжелой высокоэнергетичной частицы, упала российская автоматическая межпланетная станция «Фобос-Грунт». Иногда ионизирующее излучение играет, наоборот, положительную роль. К примеру, зависший бортовой компьютер частного космического аппарата LightSail-1 спасла перезагрузка, выполняемая при попадании частиц высокой энергии.

Среди огромного спектра проблем, которые мешают осуществимости проекта российского бизнесмена Юрия Мильнера Breakthrough Starshot (полет к Альфе Центавра), радиационная деградация электроники стоит не на последнем месте. На прошлой неделе эксперты из корейского KAIST предложили для нее решение — новый тип транзисторов. Устройства будут раз в несколько лет выключаться и самостоятельно себя отжигать, восстанавливая свою структуру. 

Самый легкий двигатель

Один из самых необычных способов передвижения в космическом пространстве — солнечные паруса. Это многометровые зеркала, обеспечивающие тягу аппарата за счет давления солнечного света. Ощутить это давление на Земле непросто — на идеально отражающее зеркало площадью в один квадратный метр будет действовать давление от солнечного света, эквивалентное весу в один миллиграмм. Однако в космосе такого давления достаточно для того, чтобы придавать аппарату ускорение. Дополнительный бонус — отсутствие потребности брать с собой топливо.

Но как вывести в космос зеркало такого большого размера? Последние проекты, в том числе и летавший в прошлом году аппарат LightSail-1, использовали тончайшую — всего 4,5 микрона толщиной — полимерную пленку, покрытую слоем металла. Этот материал называется майлар. Парус LightSail-1, имея площадь в 32 квадратных метра, весил всего около 200 грамм. На орбиту его доставили в сложенном состоянии, после чего он развернулся с помощью специальной системы.

В основе майлара лежит полиэтилентерефталат — из этого же материала делают пластиковые бутылки для газировки. Для увеличения упругости полимер текстурируют, частично кристаллизуя. Затем, методом осаждения из пара на ПЭТ наносят тонкий слой алюминия или золота, который и играет роль зеркала.

Источники энергии

В дальнем космосе не так много возможностей добыть энергию для работы систем космического аппарата. Солнечные батареи, увы, не панацея — самый далекий аппарат, получающий энергию от Солнца, это американская автоматическая межпланетная станция «Юнона», обращающаяся вокруг Юпитера. Для того чтобы она получала достаточное количество энергии, инженеры прикрепили к ней батареи общей площадью 60 квадратных метров (больше, чем средняя квартира-«однушка»). Более далекие миссии — к Сатурну и другим внешним планетам, к Плутону и в пояс Койпера — используют в качестве «батарейки» радиоизотопные термоэлектрические генераторы, или, сокращенно, РИТЭГи.

Внутри этих устройств находится тепловыделяющая сборка из радиоактивного вещества. В миссиях «Вояджеров», «Кассини», New Horizons, «Галилео» и других использовался, в виде оксида, плутоний-238. Тепло выделяется из-за альфа-распада плутония: горячие альфа-частицы передают свою кинетическую энергию материалу и разогревают его. Электричество возникает благодаря термоэлектрическим генераторам, преобразующим разность температур РИТЭГа и окружающей среды в электричество. С точки зрения материаловедения, в основе этих генераторов лежат контакты двух разнородных материалов, напоминающие термопары; в основном для этого используются пары кремний-германий.

Срок жизни РИТЭГов напрямую определяется периодом полураспада радиоактивного материала и скоростью деградации термопар. Если 40 лет назад мощность батарей «Вояджеров» составляла 470 ватт, то к 2013 году она упала до 260 ватт (при этом израсходовалось менее 30 процентов плутония). Ожидается, что к 2025 году их мощности уже будет недостаточно для поддержания радиосвязи аппаратов с Землей.

Существует еще один тип радиоизотопных источников — так называемые бета-вольтаические элементы. О них нам рассказал Александр Быков, кандидат технических наук, сотрудник кафедры Материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС». «В космосе есть проблема теплоотвода. В бета-вольтаических элементах вы получаете ток напрямую из распадов».

По словам Быкова, выделяют три типа таких элементов: «Есть генераторы прямой отдачи. В этом случае вы собираете только тот ток, который возникает из бета распада. Изотоп отдает электрон, получает положительный заряд, отрицательный заряд вы собираете на каком-то коллекторе. Получается батарейка, работающая только на токе распада. Есть полупроводниковые генераторы. В них активный изотоп «намазывают» на полупроводник, и когда электрон вылетает, то в полупроводнике возникает несколько сотен (и может быть тысяч) электрон-дырочных пар. Они расходятся в p-n переходе (как в обыкновенных солнечных батареях), и вы получаете работающую батарейку. Третий тип — механоэлектрические генераторы. Это то, чем мы занимаемся. Это когда у вас есть подвижный элемент, консоль, который заряжается положительно из-за бета-распада. Коллектор при этом заряжается отрицательно. Под действием кулоновских сил они притягиваются, касаются и релаксируют. Возникают колебания типа биений, энергия которых снимается с помощью пьезоэлементов».

Проблема деградации не обходит бета-вольтаические элементы. Полупроводниковые материалы деградируют под действием излучения — кремний быстрее, арсенид галлия медленнее. Однако, как утверждает ученый, в механоэлектрических генераторах деградацию можно обойти, поместив отдельно изотопный источник и отдельно преобразователь. Впрочем, мощность РИТЭГов бета-вольтаическим генераторам не превзойти.

***

Космическое материаловедение кажется оторванным от земных задач. Тем не менее, его результаты активно используются на Земле. К примеру, еще несколько лет назад РИТЭГи (правда, стронциевые) обеспечивали электропитание заполярных маяков — в сумме таких устройств было создано свыше тысячи. Космическая гонка XX века послужила толчком для поиска новых сплавов, многие из которых сейчас применяются для изготовления предметов повседневного пользования. К примеру, нитинол, металл с памятью формы, восстанавливающий деформации при нагреве, был разработан для нужд ракетной техники. Сейчас он нашел применение в ортодонтии — из него делают проволочные дуги для брекетов.

Радиационная защита применяется в оборудовании атомных электростанций и является необходимым элементом в военной технике. Космические солнечные батареи, несмотря на их дороговизну, пытаются адаптировать к наземным применениям (как правило, используя концентрирующие линзы), а керамическая теплоизоляция используется как пассивная защита от расплавления ядерных реакторов.

Да и в целом современная жизнь сильно зависит от космической промышленности. Благодаря системе глобального позиционирования у нас есть навигаторы, спутники обеспечивают связь с самыми удаленными областями мира (вплоть до полюсов Земли), транслируют телевизионные сигналы и позволяют оперативно получать снимки мест происшествий. 

Владимир Королёв