«Ключевая проблема — непредсказуемость»: учёный — о материалах и будущих технологических прорывах в космосе

— Почему сегодня, спустя десятки лет после первых полётов, проблема материалов для космических аппаратов сохраняет актуальность?

— Космос — это экстремальная среда. При выходе на низкую околоземную орбиту аппараты сталкиваются с атомарным кислородом, который окисляет и разрушает полимерные покрытия. Дальше добавляется радиационное воздействие, которое приводит к дефектам кристаллической структуры. В атмосфере Земли температура на поверхности кораблей и спутников может превышать 1500–2000 °C. То есть на летательные аппараты одновременно действует сразу несколько экстремальных факторов, которые в лабораториях обычно изучаются по отдельности.

При этом ключевая проблема — непредсказуемость. Материал может вести себя стабильно в лаборатории и резко менять свойства в космосе из-за ряда факторов, которые на Земле трудно воспроизвести одновременно даже на короткое время.

Хотя учёные постоянно создают новые материалы (к примеру, в России только за последние пять лет появилось 30 новых сплавов и композитов), работы ещё очень много. Так, для полётов критически важен вес материалов, из которых сделаны ракеты — чем они легче, тем больше полезного груза могут взять на борт. 

— Что изменилось с момента полёта Гагарина и запуска первого спутника в технологиях создания материалов? 

— Сегодня учёные добиваются новых характеристик не только за счёт изменения химического состава, а конструируют архитектуру материалов на атомном уровне. Так, например, уменьшая размер зёрен в материале, можно одновременно повысить прочность и сопротивление трещинообразованию, а контролируя распределение фаз (однородных участков материала. — RT.) — замедлить окисление при экстремальных температурах.

Кроме того, всё чаще материалы конструируют по принципу многослойности: базовая подложка обеспечивает механическую прочность, переходные слои сглаживают тепловые напряжения и различия в свойствах, а верхние функциональные покрытия защищают от радиации, окисления и износа.

— А какие требования предъявляются к материалам для миссий на Луну, Марс и Венеру, учитывая, что условия на этих планетах сильно различаются?

— Фактически для любых миссий требуются «умные материалы», которые не просто выдерживают воздействие среды, но и умеют реагировать на неё. Учёные активно работают над их созданием. 

Для миссий на Луну нужно учитывать высокую абразивность пыли, которая мешает работе на поверхности и проникает внутрь аппаратов, на Марсе — радиацию, ускоряющую деградацию конструкций. А на Венере опасна экстремальная температура и агрессивная атмосфера. Поэтому материалы для таких миссий должны быть не просто прочными, но и предсказуемыми в долгосрочной эксплуатации, обладать системами самовосстановления и встроенными сенсорными функциями, чтобы реагировать на внешние воздействия. 

— Многие оборонные разработки нашли широкое применение в гражданской промышленности. А как обстоит дело с космическими технологиями, есть ли от них польза в земных условиях? 

— Космические разработки широко применяются в сельском хозяйстве, промышленном производстве, здравоохранении и IT. Многие привычные нам технологии — например, сенсоры CMOS в фотокамерах смартфонов или фильтры для воды — изначально создавались для космической отрасли. Как и вязкоупругие пеноматериалы с памятью формы, разработанные для снижения перегрузок, которые сейчас используют в матрасах и подушках. Или, например, прочные прозрачные покрытия, лёгшие в основу современных линз для очков с защитой от царапин и ультрафиолетового излучения; термостойкие и огнеупорные материалы, применяемые в экипировке пожарных. Все эти решения — результат работы с экстремальными условиями, которые затем находят применение в повседневной жизни.

В частности, такие разработки ведутся у нас в университете молодыми учёными по линии пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования, программы «Фундаментальная инженерия функциональных и конструкционных материалов». 

Наш научный коллектив работает над созданием защитного покрытия, которое способно «самозалечивать» повреждения и устойчиво перед агрессивным воздействием кислорода. В основе таких покрытий — боросиликатные аморфные материалы. Они образуют на поверхности вязкую оксидную плёнку из боросиликатного стекла, которое само заполняет все трещины и пустоты.

В целом же Россия находится среди лидеров в области создания материалов для аэрокосмической техники.