Сплавно вышло: «умные» покрытия защитят ракеты от космического мусора
Российские специалисты создали уникальные покрытия для защиты солнечных батарей и оптики космических аппаратов от ударов микрометеороидов и другого внеземного мусора. Новые материалы в 1,5–5 раз устойчивее к внешнему воздействию, чем те, которые применяют для этих целей сейчас, говорят разработчики. Эксперты считают, что новый продукт еще должен доказать свою конкурентоспособность, так как на рынке уже представлены хорошо известные и работающие решения для защиты аппаратуры от комбинированного воздействия космического излучения и микрочастиц.
Укрепи и распыли
Ученые университета МИСИС разработали износостойкое, оптически прозрачное покрытие для защиты солнечных батарей космических аппаратов и элементов оптики авиационной техники. Нанесение слоя Ta-Si-N (тантал – кремний – азот) позволит решить глобальную проблему, связанную с воздействием мелких частиц космического мусора и микрометеороидов на космические аппараты.
При столкновениях с микрочастицами интенсивно разрушаются прежде всего фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) солнечных батарей. Для их защиты сейчас применяют тонкие стекла. Однако они недостаточно прочны и заметно утяжеляют сами батареи. Более эффективно защитить оптические устройства (иллюминаторы, ФЭП, солнечные коллекторы и др.) от разрушающего воздействия можно с помощью износостойкого покрытия Ta-Si-N. Оно, помимо прочего, обладает высоким коэффициентом пропускания — до 80–90%. Результаты исследования описаны в научном журнале Surfaces and Interfaces.
— Покрытия в системе Ta-Si-N превосходят известные оптические полупроводниковые оксидные покрытия по скорости роста в 2–7 раз и по стойкости к воздействию абразивных частиц в 1,5–5 раз. Это делает их использование перспективным для увеличения срока службы и эксплуатационных характеристик таких объектов, как ФЭП солнечных батарей, детали оптических устройств и компоненты лазерной техники, — рассказал «Известиям» заведующий лабораторией «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС, профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС Филипп Кирюханцев-Корнеев.
Покрытия Ta-Si-N были получены в вакууме по технологии магнетронного распыления, когда в результате столкновения электронов с атомами рабочего газа над поверхностью катода образуется плазма. Положительные ионы аргона, образующиеся в разряде, ускоряются в направлении катода, бомбардируют его поверхность, выбивают атомы, которые затем переносятся и осаждаются на изделии.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Вопрос конкурентоспособности
— Специфические оптические характеристики получаются за счет гибкого управления параметрами осаждения покрытий, в том числе парциального давления реакционного газа. Атомы азота вступают в реакцию с танталом и кремнием, образуя износостойкий оптически прозрачный слой, обладающий аморфной структурой, — прокомментировала младший научный сотрудник лаборатории «In situ диагностика структурных превращений» НУЦ СВС университета МИСИС Алина Сытченко.
Покрытия в системе Ta-Si-N обладают уникальным сочетанием качеств и характеризуются высоким оптическим коэффициентом пропускания, износостойкостью, термической стабильностью до 1200 °С, показателем преломления в диапазоне 2,0–2,5, а также стойкостью к окислению, подчеркнули разработчики.
Аэрокосмическая отрасль — одна из самых высокотехнологичных и наукоемких в экономике России, ее развитие — задача национального масштаба, подчеркнула ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова. Ученые университета на протяжении ряда лет ведут разработки для космической промышленности.
— Исследователи вуза создают новые материалы с заданными свойствами для использования в экстремальных условиях, разрабатывают прорывные технологии, связанные с освоением космоса, производством и эксплуатацией космических аппаратов различного назначения. Износостойкое покрытие, созданное учеными университета МИСИС, защитит оптические элементы и улучшит функциональные характеристики аэрокосмических летательных аппаратов,— отметила Алевтина Черникова.
Ценность проведенного учеными МИСИС детального исследования взаимосвязи структурных, оптических и трибологических (износостойкость) свойств тонкопленочных покрытий Ta-Si-N в том, что оно позволило найти оптимальную концентрацию азота в покрытии с точки зрения его функциональных свойств, рассказал «Известиям» заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ Андрей Зенкевич.
— Однако задачу выяснения «конкурентоспособности» синтезированного нового материала по сравнению с уже известными авторы исследования перед собой не ставили (по крайней мере в статье об этом не говорится), и поэтому пока рано говорить о его перспективности для применений в космосе, в авиации или где-то еще. Ведь проблема защиты устройств и поверхностей в космосе и в самолетах прежде всего от окисления атомарным кислородом, но также и от метеоритов, известна уже на протяжении десятков лет, с того времени, когда люди стали отправлять аппараты для длительных полетов на околоземных орбитах Земли. Всё это время проводились интенсивные поиски материалов для защиты аппаратуры от комбинированного воздействия космического излучения, «атмосферы» и микрочастиц, и к настоящему времени достигнут очень большой прогресс, — рассказал специалист.
Сейчас ученые МИСИС работают над улучшением свойств покрытий и технологии их осаждения. По их мнению, текущие наработки имеют большое значение для развития отрасли бескислородных оптических покрытий.
