Ученые ТУСУРа разработали два типа терморегулирующих покрытий для космических аппаратов с применением нанотехнологий

В космических аппаратах (КА) поддержание температуры на заданном уровне осуществляется системами терморегулирования, основным элементом которых являются терморегулирующие покрытия. В начале полетов температура КА поддерживается на уровне 20оС. В процессе полетов на покрытия действуют различные повреждающие факторы, главный из которых - ионизирующие излучения. Образовавшиеся дефекты приводят к увеличению коэффициента поглощения, повышению температуры космических аппаратов, ухудшению условий работы приборов и оборудования и даже к их отказам. Для  увеличения    сроков активного существования КА необходимы качественно новые покрытия, которые будут поддерживать температуру на заданном уровне, обеспечивать работу всех приборов и устройств в течение длительных сроков.

Новые нанопокрытия для космических аппаратов, разработанные учеными ТУСУРа, созданы из силиката кальция (СаSiO3) и карбоната кальция (СаCO3),  модифицированных диоксидом церия (CeO2).

«И силикат, и карбонат кальция имеют большую ширину запрещенной зоны – это означает, что они поглощают очень мало солнечного света. Если традиционные покрытия на основе оксида цинка или диоксида титана  поглощают до 20 % и более солнечной энергии, то эти – 7-10 %, обладая при этом большим значением коэффициента   излучения (ε~0.9), что обеспечивает излучение тепла, вырабатываемого оборудованием, установленным на космическом аппарате. Главный недостаток покрытий на основе немодифицированных порошков СаSiO3 и СаCO3 – нестабильность сложных анионов при облучении, которая приводит к их разложению, образованию дефектов и центров поглощения, а также к их «потемнению» - уменьшению отражательной способности. Для стабилизации мы вводим в состав пигмента наночастицы, на которых релаксируют эти первичные дефекты. Потемнение происходит в меньшей степени», – рассказывает профессор, заведующий лабораторией радиационного и космического материаловедения ТУСУРа Михаил Михайлов.

Коллектив ученых, который работал над новыми составами, исследовал более 10 типов оксидов, определяя, какой лучше подойдет для решения стоящей перед ними задачи. В итоге выбор остановился на оксиде, у которого катион является редкоземельным элементом – на диоксиде церия (CeO2). Химические особенности оксидов редкоземельных элементов позволяют использовать одновременно два механизма увеличения радиационной стойкости материалов.  

Эксперименты показали, что для получения максимального эффекта в состав пигмента достаточно ввести 0,1-0,5% наночастиц. Стойкость оптических свойств при облучении частицами в космическом пространстве при этом возрастает до 2-2,5 раз, а расчетный срок службы – до 15-20  лет.   

Проектные исследования проводили  на протяжении двух лет. Только за 2024 год коллективом ученых было подготовлено 19 публикаций, 18 из которых опубликованы в зарубежных журналах, индексируемых Scopus и Web of Science.

«Спектр применения наших пигментов крайне широк и не ограничивается космическими аппаратами. Например, если такие покрытия, стабильные к солнечному свету, нанести на стены зданий в жарких странах, они не будут трескаться. Состав можно использовать для  изготовления керамики, которая применяется  в ядерных реакторах, ускорителях заряженных частиц, рентгеновских аппаратах  и  должна обладать повышенной радиационной стойкостью. Наши пигменты могут быть востребованы для нанесения на емкости и оборудование для  хранения и транспортировки нефтепродуктов и в других сферах», - отметил Михаил Михайлов.

По словам авторов разработки, интерес к новым пигментам уже проявили в АО «Композит» и в «Центре подготовки космонавтов» Госкорпорации «Роскосмос».