Томские ученые разрабатывают терморегулирующие покрытия для космических аппаратов
Работа над созданием терморегулирующих покрытий (ТРП) для космических аппаратов (КА) отвечают задачам национального проекта «Космос». К настоящему времени удалось достигнуть увеличения стойкости оптических свойств ТРП и их компонентов к действию ускоренных электронов и квантов солнечного спектра в 2-4 раза.
Новые проекты лаборатории, посвященные ТРП, в настоящее время реализуются при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Первый – «Создание научных основ и технологических принципов увеличения фото- и радиационной стойкости полимерных лаков и смол для космических аппаратов с применением нанотехнологий» – рассчитан на 2024-2027 годы. Второй – «Исследования свойств нового типа керамического покрытия для пассивного терморегулирования космических аппаратов» – на 2025-2026 годы.
«Такие покрытия поддерживают температуру КА, используя физические свойства материалов и конструкций без затрат энергии. Они предназначены для обеспечения необходимого температурного режима работы приборов, оборудования, устройств, биологических объектов и жизнедеятельности космонавтов. Предотвращение перегрева достигается за счет высокой отражательной способности (в солнечном диапазоне спектра) и высокой излучательной способности, которая обеспечивает эффективный сброс тепла в космическое пространство», – пояснил научный сотрудник лаборатории и руководитель первого проекта Владимир Горончко.
По словам исследователя, ТРП состоят на 75-80 % из неорганических порошков-пигментов и на 20-25% из органических связующих. Его проект, рассчитанный на три года, посвящен увеличению стойкости оптических свойств полимерных связующих ТРП к действию ионизирующих излучений космического пространства (ускоренных электронов и квантов солнечного спектра).
«Эффективным способом повышения стойкости материалов к действию излучений является модифицирование их наночастицами, – рассказал Владимир Горончко. – В данном проекте мы используем два типа связующих – это полиметилфенилсилоксановый лак и акриловая смола. В первые два года мы осуществляем модифицирование полимеров наночастицами диоксида кремния, проводим их облучение электронами и квантами солнечного спектра и исследуем оптические, механические и другие характеристики. Могу сказать, на данном этапе нам удалось достичь увеличения стойкости оптических свойств к действию ускоренных электронов и квантов солнечного спектра в 1,3-1,9 раза».
В 2026 году ученые приступят непосредственно к изготовлению покрытия на основе модифицированных смол и классического пигмента – оксида цинка. Ключевая особенность проекта – исследования осуществляются на уникальной установке-имитаторе условий космического пространства «Спектр», не имеющей аналогов в РФ, которая позволяет воспроизводить условия, максимально приближенные к реальным орбитам, при этом регистрировать оптические характеристики без нарушения вакуума.
Исследователь отметил, что помимо космической отрасли, разрабатываемые полимерные материалы могут найти применение в новых теплоотражающих, теплозащитных и светоотражающих красках, эмалях и покрытиях, позволяющих значительно снизить энергопотребление зданий, предотвратить перегрев и износ поверхностей резервуаров и многих других объектов, на внешние поверхности которых действует солнечное излучение.
Второй проект лаборатории – «Исследования свойств нового типа керамического покрытия для пассивного терморегулирования космических аппаратов» – направлен на создание терморегулирующего покрытия на основе микропорошка оксида иттрия, модифицированного наночастицами диоксида кремния.
«В 2021-2024 годах мы выполняли большой проект РНФ «Разработка методологии модифицирования наночастицами оксидных отражающих порошков», в котором исследования проводили с использованием различных оксидных порошков, четыре микропорошка (два полупроводниковых и два диэлектрических) и восемь нанопорошков для модифицирования, – рассказал руководитель проекта и сотрудник лаборатории РКМ Семен Юрьев. – При выполнении проекта, часть исследований была связана с нанопорошком оксида иттрия: у него высокое отражение, получили довольно интересные результаты. Поэтому было принято решение подать заявку в РНФ, где основой для терморегулирующего покрытия является именно микропорошок оксида иттрия. На первый год запланировано изучение исходных свойств самого оксида иттрия и модифицирование его наночастицами диоксида кремния, а на второй год – непосредственно создание покрытия».
По предварительным данным, оксид иттрия, модифицированный наночастицами диоксида кремния, обладает лучшими характеристиками, чем традиционные порошки-пигменты, применяемые в терморегулирующих покрытиях на протяжении многих десятков лет – диоксид титана и оксид цинка.
«Поглощение солнечного излучения у оксида иттрия относительно оксида цинка практически в два раза меньше, разница по сравнению с порошками диоксида титана может достигать три-четыре раза», – пояснил ученый.
По словам руководителя лаборатории РКМ Михаила Михайлова, интерес к новым пигментам уже проявили в АО «Композит» и в «Центре подготовки космонавтов» госкорпорации «Роскосмос».
«Полученные результаты исследований представляют научную ценность и практический интерес не только в нашей стране, но и за рубежом. Поэтому редакторы зарубежных журналов охотно принимают наши статьи. За последний 2024 год мы опубликовали в высокорейтинговых журналах, индексируемых в Белом списке, Web of Science и Scopus - 18 статей, а за последние 5 лет - 56 статей. Для такого маленького научного коллектива (в лаборатории трудятся пять ученых. – Ред.) это отличный результат», – рассказал руководитель.
Напомним, что в рамках Госзадания и программы развития «Приоритет 2030» Министерства образования и науки в лаборатории радиационного и космического материаловедения (РКМ) ТУСУР уже были разработаны новые типы пигментов ТРП, предназначенных для поддержания температуры КА на необходимом уровне – из силиката и карбоната кальция, модифицированных наночастицами диоксида церия.
Источник фото: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники