Российские ученые разработали композит для защиты от космической радиации

Освоение космоса, невзирая на различные представления человека от романтизма и оптимизма до скептицизма и пессимизма, остается одним из важнейших путей развития цивилизации. Сегодня прикладная космонавтика является одной из основ гарантированного обеспечения обороноспособности и безопасности нашего государства, особенно во время развивающегося конфликта с неадекватной политики Запада. В долгосрочной перспективе в части фундаментальной и ориентированной космической науки нельзя не учитывать и проекты освоения окололунного пространства и более отдаленных объектов Солнечной системы.

По мнению заместителя генерального директора Кольского научного центра РАН по науке, профессора ДВФУ академика РАН Ивана Тананаева, для освоения космоса не хватает не только быстрых и эффективных двигателей для преодоления огромных расстояний, но и современных систем жизнеобеспечения в части радиационной защиты космонавтов, принимающих участие в длительных миссиях.

— Космическое излучение, состоящее из частиц высокой энергии (протонов, ядер гелия, тяжелые заряженные частицы), а также фотонного излучения (нейтрино, гамма-кванты), ионизирует материал космического корабля, что ведет также ко вторичному излучению внутри его корпуса, объясняет Иван Гундарович. — Для комбинированной пассивной защиты от излучения частиц высокой энергии перспективны «легкие» материалы рассеяния с высоким содержанием водорода, а для ослабления и поглощения фотонного излучения — тяжелые металлы или композиты на их основе.

Молодой заведующий лабораторией Сахалинского государственного университета Олег Шичалин руководит исследованиями по поиску новых, передовых материалов, которые могут быть применены для изготовления радиационной защиты от «солнечного ветра». Основная задача — разработать более эффективные защитных материалов за счет снижения массы и стоимости космического корабля. Олег Олегович отмечает:

— В NASA разрабатывают новый материал на основе нанотрубок нитрида бора (BNNTs) как легкий и встраиваемый в обшивку корабля и скафандров материал. Однако BNNTs — дорогое в производстве вещество (до $1000 за грамм). Нам нужно получить композит со стоимость в 100-200 раз дешевле, не снижая качество и эффективные свойства защиты. Поэтому мы предлагаем керамометаллические композиты системы LaB6-Al-Mg, высокая плотность которых достигается за счет использования передового метода электроимпульсного плазменного спекания.

В статье коллектива Сахалинского государственного университета, Дальневосточного федерального университета, Томского политехнического университета и Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН, опубликованной в научном журнале Materials Characterisation, рассказывается о разработке композитов на основе порошков гексаборида лантана (LaB₆) и алюминиево-магниевого сплава (Al—Mg), смешанных в различных соотношениях. Эти смеси подвергли плазменному спеканию при температуре 400 °C и давлении 21,5 МПа и выдержали пять минут в вакууме. В результате получили плотные двухфазные материалы, состоящие из LaB₆ и интерметаллида Mg₂Al₃, которые сочетают структурную прочность металлической матрицы с эффективным поглощением тепловых нейтронов за счет высокого содержания бора в LaB₆.

СЭМ изображения композитов с различными массовыми соотношениями / © Materials Characterisation

Как обнаружили исследователи, увеличение доли металлической фазы Al-Mg до 90 % способствует более полной консолидации и обеспечивает равномерное распределение частиц LaB6 в объеме композита, что подтверждается экспериментальными данными, а также минимальным разбросом значений микротвердости для данного состава. Фазовый анализ показал формирование двухфазной системы из LaB6 и Mg2Al3 без побочных продуктов взаимодействия между фазами. Исследование протонопоглощающей способности продемонстрировало линейное увеличение коэффициента ослабления нейтронного потока с ростом содержания LaB6. Наилучшие защитные свойства по отношению к тепловым нейтронам показал композит с содержанием 50 % LaB6, для которого зафиксированы максимальные значения линейного коэффициента ослабления и минимальная толщина слоя половинного ослабления (всего 0,202 сантиметра).

Дилатометрический анализ композитов и фото спеченных образцов / © Materials Characterisation

Разработанный композит легко подвергается инструментальной обработке, что крайне важно для создания «космических конструкций». Такие материалы открывают путь к созданию многофункциональных компонентов для космической техники, которые одновременно могут нести механическую нагрузку и обеспечивать радиационную защиту — без необходимости использовать отдельные хрупкие и тяжелые экраны.