Солнечный цвет: «лазерные фары» помогут космическим кораблям «увидеть» Луну
Российские и китайские ученые разработали композитный люминофор, который превращает излучение синего лазера в свет, близкий к солнечному. Новая технология позволяет создавать мощные источники освещения с естественным спектром, устойчивые к высоким температурам и пригодные для работы в экстремальных условиях — от глубин океана до космоса. Разработчики считают, что такие источники света могут использоваться даже при посадке космических аппаратов на Луну. Впрочем, в реальных миссиях ключевую роль по-прежнему играют датчики и автоматика — освещение здесь скорее вспомогательный инструмент. Тем не менее технология может заметно расширить возможности пилотов и операторов.
Как лазерное излучение приблизили к солнечному свету
Российские ученые совместно с коллегами из Китая создали керамический композит для мощных лазерных источников света. Материал обеспечивает освещение, близкое к естественному солнечному свету, устойчив к перегреву и может использоваться в космических устройствах, где отвод тепла затруднен.
В разработке приняли участие специалисты из Дальневосточного федерального университета, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (Кольцово) и Шанхайского института керамики Китайской академии наук. Также научная работа поддержана грантом Российского научного фонда.
Рабочее место оператора станции и автора исследования Алексея Завьялова «Дифрактомерия при высоких давлениях» канала 4 накопительного кольца ВЭПП-3
Технология основана на использовании лазера синего диапазона и люминофора — вещества, которое преобразует излучение в видимый свет. Сам люминофор представляет собой композит: один компонент отвечает за свечение, второй — за устойчивость к высоким температурам.
Белый свет (смесь всех цветов радуги) проще получить, смешав синий свет лазера и желтый свет, который излучает люминофор под воздействием синего.
При этом синие лазерные диоды — это развитая технология. Они представляют собой компактные (размером с микросхему) и мощные (до нескольких ватт) устройства — надежные и недорогие по сравнению с лазерами других цветов. Они имеют высокий КПД преобразования электричества в свет и в сочетании с эффективным люминофором образуют энергоемкую и экономичную систему.
— Мы стремимся создать отечественную технологию изготовления преобразователей цвета с регулируемыми оптико-термическими характеристиками для компактных, энергоэффективных и высокомощных лазерных источников освещения. В дальнейшем мы планируем перейти к конструированию источников высокомощного лазерного освещения, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, директор НОЦ «Передовые керамические материалы» Политехнического института Дальневосточного федерального университета Денис Косьянов.
Образец керамического люминофора перед исследованием на синхротроне
По его словам, лазерное освещение имеет преимущества по сравнению со светодиодным: его эффективность почти не снижается при увеличении силы тока, а яркость значительно выше. Это делает такие решения перспективными для задач, где требуется мощный и стабильный свет.
Как «лазерные фары» помогут при посадке на Луну
Разработка может использоваться, например, при создании автомобильных фар нового поколения. Они смогут светить ярче и дальше, при этом оставаясь безопасными для встречных водителей за счет более естественного спектра.
— Доступные сегодня люминофоры сильно перегреваются при лазерном возбуждении. Это приводит к снижению яркости и быстрому разрушению материала. Новый композит выдерживает высокие тепловые нагрузки и сохраняет стабильность свечения при длительной работе, — сообщил Денис Косьянов.
Помещение станции «Прецизионная дифрактомерия – 2» канала 6 накопительного кольца ВЭПП-3, на котором проводились исследования
Такие характеристики особенно важны для космической техники. В вакууме невозможно охлаждение за счет конвекции, поэтому ключевым становится использование материалов, устойчивых к нагреву.
Предполагается, что «лазерные фары» смогут помочь при посадке аппаратов на поверхность Луны и других небесных тел — за счет более естественного освещения рельефа. Это может облегчить визуальную оценку поверхности как пилотами, так и операторами при дистанционном управлении.
С 6 по 12 апреля в России пройдет Неделя космоса. В ее рамках состоится обширная программа деловых, выставочных, культурных и образовательных мероприятий. В том числе 9 апреля будет проведен Российский космический форум.
Он объединит представителей науки, бизнеса, медиа и органов власти для обсуждения направлений развития отечественной космонавтики, а также ее роли в обществе и экономике страны. В частности, на форуме представят передовые научные разработки в космической сфере.
— Переход к неорганическим керамикам для мощных светодиодов и лазеров — мировой тренд. Здесь удалось решить проблему теплового тушения и деградации при высокой мощности. Двухфазная структура материала эффективно отводит тепло, — прокомментировал доцент базовой кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ Максим Малокеев.
По его словам, при внедрении в автомобильные системы дальнего света разработка повысит безопасность вождения в сложных условиях. Также мощные прожекторы, способные работать в экстремальных условиях, нужны для летательных и подводных аппаратов. В частности, под водой они позволят получить естественную цветопередачу — без искажений и зеленоватого оттенка. Важны такие источники и при поисково-спасательных работах.
Еще одна область применения — это лазерные телевизоры с большой диагональю и проекторы. Такие устройства нуждаются в мощных, стабильных и долговечных источниках белого света, которые сохраняют яркость на протяжении всего срока службы.
В то же время, отметил Максим Малокеев, высокие требования к цветопередаче предъявляются в медицине, где зачастую от качества освещения зависит успех операции. Врач должен различать оттенки тканей, чтобы обнаружить патологии и избежать повреждения здоровых участков.
— В космосе основным источником света остается Солнце. При стыковке в тени обычно используют инфракрасные системы. При посадке на Луну даже мощные источники света не решают проблему оценки высоты и скорости — здесь важнее датчики, — поделился ведущий инженер Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Андрей Новиков.
Тем не менее, добавил он, такие системы освещения могут быть полезны для оценки рельефа посадочной площадки и работы на поверхности — например, в тени кратеров или во время длительной лунной ночи.
