Образец внутри содержит сотни тысяч наночастиц, которые взаимодействуют с проходящим светом. Фото: Stuart Hay, Австралийский национальный университет
Одно из главных препятствий для колонизации Марса и любых других пилотируемых космических миссий — опасная космическая радиация. Во время перелёта к Марсу космонавты подвергнутся воздействию высокоэнергетических сильно ионизированных частиц, известных как космические лучи галактического и солнечного происхождения (ГКЛ и СКЛ).
Андрей Мирошниченко, Андрей Комар, Сергей Крюк, Юрий Квишар с коллегами (все — из Центра нелинейной физики в Научно-исследовательской школе физики и инженерии при Австралийском национальном университете) под руководством д-ра Мохсена Рахмани (Mohsen Rahmani) изобрели наноматериал, обладающий необычными физическими свойствами. Учёные считают, что эти свойства можно использовать в том числе для частичной защиты скафандров и спутников от космической радиации.
По количеству частиц космические лучи на 92% состоят из протонов, на 6% — из ядер гелия, около 1% составляют более тяжёлые элементы, и около 1% приходится на электроны. Энергетический спектр космических лучей на 43% состоит из энергии протонов, ещё на 23% — из энергии гелия (альфа-частиц) и 34% энергии, переносимой остальными частицами. Благодаря чрезвычайно высокой энергии более 10 МэВ эти частицы проходят через обшивку космического аппарата и через мягкие ткани космонавтов, в том числе через мозг. В теле человека ионизирующее излучение наносит разнообразные повреждения на молекулярном уровне, в том числе нарушая процессы восстановления клеток и замедляя заживление повреждённых тканей. ГКЛ вызывают нарушения в нервной системе, в том числе долговременное ухудшение умственных способностей из-за упрощения дендритной структуры, изменения уровней протеина в синапсах и воспаления нервной ткани (эксперименты были проведены на мышах).
НАСА и научно-исследовательские коллективы по всему миру сейчас ищут способ для создания наиболее эффективной защиты от космической радиации. Наиболее прямой подход для такой защиты — толстый слой некоего материала, который поглощает космические лучи. Группа австралийских учёных предлагают кардинально иной способ: их материал не поглощает, а рассеивает излучение. Более подробно они описывают его в своей научной статье «Реверсивная термическая настройка полностью диэлектрических метаповерхностей» (Reversible Thermal Tuning of All-Dielectric Metasurfaces).
Метаповерхность представляет собой двумерную структуру наночастиц или микрочастиц, расположенных в пространстве по определённому закону на расстояниях, меньших, чем длина волны. Метаповерхности используют в фотонике для изменения фронта и фазы падающего электромагнитного излучения по заданному закону. Особый интерес представляют метаповерхности, в котором частицы меняют показатель преломления в зависимости от внешнего воздействия — света, магнитного поля или температуры.
В данном случае диэлектрическая метаповерхность отражает или пропускает свет в зависимости от показателя преломления кремния, который зависит от температуры. То есть её свойствами можно управлять, нагревая или охлаждая поверхность. Учёные показали, как добиться чёткого резонанса за счёт интерференции между режимами магнитного диполя и электрического квадруполя в специальным образом составленной 2D-решётке наночастиц.
Управляя температурой, можно управлять этим резонансом и вызвать направленное рассеяние (то есть рассеяние в узком угле) с метаповерхности в спектральном окне 75 нм. Это может привести к 50-кратному усилению анизотропии излучения (radiation directionality). Авторы считают, что такое обратимое изменение свойств материала может быть полезно в разных областях, в том числе в мета-линзах и мета-голограммах. Плёнка меняет показатель преломления (прозрачная или непрозрачная) в том числе в видимом диапазоне света, так что её можно применять в дизайне интерьеров — для покрытия окон (вместо штор или жалюзи), в автомобилях и т.д. Также эти метаповерхности можно использовать хотя бы для частичного рассеяния космических лучей.
Доцент Андрей Мирошниченко (слева) и д-р Мохсен Рахмани, ведущие авторы научной работы, демонстрируют новый наноматериал. Фото: Stuart Hay, Австралийский национальный университет
Тонкая плёнка из этого метаматериала наносится на любую поверхность, в том числе на скафандры. «Наше изобретение имеет множество потенциальных применений, таких как защита космонавтов или спутников сверхтонкой плёнкой, которая может настраиваться для отражения опасного ультрафиолетового или инфракрасного излучения в разных окружениях, — говорит д-р Рахмани. — Эта технология значительно повышает порог сопротивления против вредоносной радиации по сравнению с современными технологиями, которые полагаются на поглощение радиации в толстом слое [вещества]».
Сложно представить, как практически двумерная плёнка защитит от высокоэнергетических гамма-частиц с энергией в 10 МэВ. Наверное, это невозможно. Может быть, плёнка способна отражать/рассеивать частицы/волны с меньшей энергией. В любом случае, материал полезный, если он действительно эффективнее, чем толстый слой свинца или воды, как это заявляют учёные.
Научная работа опубликована 3 июля 2017 года в журнале Advanced Functional Materials (doi:10.1002/adfm.201700580).
Комментарии (24)
vassabi
04.07.2017 20:13интересно — как быстро она деградирует, насколько узкое окно резонанса и можно ли подобные материалы использовать для гамма-телескопов ....
qrck13
04.07.2017 22:27+4> Изобретена плёнка, которая защищает от космической радиации
> Наше изобретение имеет множество потенциальных применений, таких как защита космонавтов или спутников сверхтонкой плёнкой, которая может настраиваться для отражения опасной ультрафиолетовой или инфракрасной радиации в разных окружениях…
Это по английски это все одно слово — radiation. В русском языке слово радиация означает куда более узкий спектр ЭМ излучения — рентгент и выше. Так что тройка за перевод.boogiebomzh
05.07.2017 04:03+2Слишком категорично. Радиация — это излучение вообще. Это, собственно, синонимы.
DrPass
05.07.2017 00:10+3Насколько я понимаю, с точки зрения высокоэнергетических частиц, им не слишком принципиально, пробивать ли обычную плёнку или плёнку с рассеивающими свойствами.
vassabi
05.07.2017 07:50-1зато частицы можно отклонять полями. а для гамма-квантов — плёнка
DrPass
05.07.2017 14:19+1Да не особо их поотклоняешь, когда у них энергия, как у заячьей дроби. Чтобы сделать такое сильное поле, чтобы сколь-нибудь существенно изменить угол полёта высокоэнергетических частиц, нужен и соответствующий источник на корабле, и высокие токи, и сверхпроводящие катушки.
amarao
05.07.2017 15:55+2Или большее расстояние до цели. Тонкая плёнка на расстоянии в 500м от корабля отклоняет лучи на 0.01 радиана. Этого достаточно, чтобы частица отклонилась на 5 м (от корабля).
DrPass
05.07.2017 17:36+2Да, вот только
а) На расстоянии 500 м вам понадобится труба из такой плёнки с окружностью 3.14 километра, чтобы обернуть ваш корабль.
б) Та же плёнка, которая отклоняет летящие в корабль частицы на 5 м, направляет прямо в корабль те частицы, которые без плёнки пролетели бы мимо него на расстоянии 5 м.vassabi
05.07.2017 19:26эээ… то вы хотите сказать, что она работает не в перепендикулярной плоскости (как рассеивающая линза, например) ?
amarao
06.07.2017 12:14+1a) — да. По этому плёнка должна быть экстремально тонкой и лёгкой. И прочной, чтобы от кинетической энергии отклонения не рваться.
б) Не совсем. Если у нас нелинейные «оптические» свойства системы, то мы можем получить такую оптическую систему, которая по большинству направлений будет держать корабль «в (относительной) тени». Насколько я понимаю, по этому принципу все линзы и работают. То есть частица, которая летела под углом, который промахивается мимо корабля, либо не испытывает взаимодействия, либо отклоняется в сторону (в другую сторону), то есть пролетает на 5+5 = 10 м от корабля.
DrPass
06.07.2017 12:32+1а) И иметь механизм раскрытия. И каким-то образом быть прикреплена к кораблю. И давать возможность работать двигателям корабля. И при этом чем меньше толщина плёнки, тем, очевидно, слабее её способность воздействовать с частицами.
б) Вы правы, но вы можете себе представить, например, рассеивающую линзу в виде сферы, которая рассеивает поступающий извне свет так, что в центре сферы темнота? Вот для обеспечения безопасности корабля с помощью «отклоняющей» плёнки нужна будет подобная штука.
Мне кажется, хоть идея сама по себе и перспективная, но в обозримом будущем инженерного решения у неё не будет. Тут нужна революция в материаловедении.amarao
06.07.2017 12:41Нам не надо «прикреплять» плёнку, достаточно иметь возможность корректировать её положение. А это можно делать тысячью и одним методом — магнитными полями, газовыми двигателями (чуть дунул — плёнку подвинуло), электростатикой, etc. Большую часть времени корабль летит с фиксированной скоростью. Даже для моментов торможения/разгона ускорение/торможение плёнки тоже не сильно большая проблема — если её масса маленькая, то импульс ей надо тоже маленький.
Описанную вами линзу я могу представить — это обычная рассеивающая линза (вогнутая, на дальнозоркость).DrPass
06.07.2017 14:36+2Описанную вами линзу я могу представить — это обычная рассеивающая линза
В том-то и дело, что нет. Рассеивающая линза рассеивает когерентное излучение, или излучение из точечного источника. А уже рассеянное, увы, она только «перемешает», как и любая другая линза. Грубо говоря, вот:
Обратите внимание, луч С, падающий к линзе под определённым углом (в данном случае, проходящий через фокус линзы), преломляется и летит уже перпендикулярно. И можно провести неограниченное множество лучей, которые падают под углом, немного не попадают в фокус, и которые такая линза преломит ближе к середине.
А это можно делать тысячью и одним методом — магнитными полями, газовыми двигателями
Я согласен, другое дело, что все они подразумевают какую-то несуществующую конструкцию или механизм, которые должны удерживать и позиционировать многокилометровый шар пленки. Пока решения этой задачи нет даже на горизонте.amarao
06.07.2017 18:58Для практической цели оно не обязательно должно быть цельным. Это могут быть отдельные листы. Задача же не «исключить полностью», а уменьшить воздействие.
Кстати, я придумал крепление. Очень простое.
Мы делаем из этой плёнки надувную поверхность и надуваем её очень маленьким давлением (плюс несколько паскалей). Да, это некоторый расход воздуха, но весьма незначительный.
Можно даже посчитать сколько оно весит. Я исхожу из массы графита.
плотность графита 2230 кг/м3.
Сфера 500 метров.
Толщина 260 пм * 5 (пять слоёв атомов углерода) = ~1нм
Площадь поверхности: 3141592.653589793
Объём: 0.0031415 м3
Масса: 7кг
Защита на 7кг — не так уж и сурово.
Silvatis
05.07.2017 10:32+5когда — нибудь переводчики узнают, что существует слово «Излучение» при переводе «Radiation»
hostadmin
05.07.2017 13:02+4Андрей Мирошниченко, Андрей Комар, Сергей Крюк, Юрий Квишар с коллегами (все — из Центра нелинейной физики в Научно-исследовательской школе физики и инженерии при Австралийском национальном университете)
Вот сейчас обидно было.
hp6812er
05.07.2017 14:32+1Вот сейчас обидно было.
Почему забыли про ...?
под руководством д-ра Мохседа Рахмани (Mohsen Rahmani)
Тоже наш человек.)
А что по статье, слово «частично» наверное является определяющим, для диапазона защиты от излучения.
worldmind
05.07.2017 17:09Я плохо читал или она проявляет свои свойства только при определённой температуре? Вышел в космос и уже не то излучение будет рассеиваться.
potan
06.07.2017 01:17+2Вообще не очень понятна польза от рассеивания. На квант, который не нанес вреда, поскольку был отклонен, найдется квант, который попал куда не надо ровно потому, что был отклонен, а иначе спокойно пролетел бы мимо.
mphys
Любая пленка чуть чуть защищает.