Защита от космической радиации является одной из ключевых проблем, которые предстоит решить человечеству для обеспечения безопасного длительного пребывания в космическом пространстве, в том числе в ходе дальних космических полётов. Наряду с проблемами отсутствия гравитации и эмбриологии, а также рядом несколько менее критичных проблем, таких как психологическая устойчивость экипажа в условиях ограниченности пространства и общения, вопрос защиты от радиации является важнейшим для рождения первого человека в космосе.
Вот почему мы участвуем в специальных исследованиях, а также пристально следим за новостями науки и техники, которые могут помочь в решении этих сложнейших проблем. Недавняя работа аспирантки факультета машиностроения Массачусетского технологического института (MIT) Палак Патель вызывает немалый интерес. Используя нанотрубки из нитрида бора, она разрабатывает космические материалы, блокирующие опасное ионизирующее излучение.
Палак Патель, успевшая несколько лет поработать в Индийской организации космических исследований (ISRO), специализируется на разработке передовых материалов, которые, возможно, изменят будущее пилотируемых космических полётов. «Мои исследования в основном направлены на то, чтобы выяснить, как обеспечить безопасность космонавтов в космосе, — говорит она. — Космос – одна из немногих областей, где всё должно быть действительно точным, чистым и идеальным».
Потенциал нанотрубок
В MIT Палак Патель присоединилась к лаборатории Брайана Уордла на факультете аэрокосмической инженерии (AeroAstro). Она специализируется на синтезе нанотрубок и производстве многофункциональных нанокомпозитов — крошечных цилиндрических структур с полым сердечником, известных высокой прочностью и универсальностью.
Для своей магистерской работы она использовала знания в области машиностроения, чтобы интегрировать нанотрубки в существующие аэрокосмические материалы. «Современные самолёты более чем на 50 процентов состоят из композитных материалов — стекловолокна, углерода, волоконных композитов, — объясняет она. — Включение углеродных нанотрубок в существующие композиты может улучшить их механические свойства и добавить многофункциональность».
Помимо укрепления конструкции, нанотрубки обеспечивают дополнительные функциональные возможности. Например, интеграция нанотрубок в композитные материалы позволяет крыльям самолётов противостоять образованию льда, продлевая время полёта. Эти материалы также могут помочь обнаружить трещины до того, как произойдут катастрофические отказы.
После окончания магистратуры Патель решила, что хочет сосредоточиться именно на космических применениях, поэтому Уордл познакомил её с коллегами из НАСА, а те, в свою очередь, познакомили Патель с нанотрубками из нитрида бора, обладающими «суперспособностью»: защитой от радиации.
Разработка более безопасных материалов для космических полётов
Ионизирующее излучение является одним из главных препятствий на пути к космическим путешествиям. Когда космическое излучение попадает на алюминий, используемый в большинстве космических аппаратов, оно может генерировать опасные вторичные нейтроны, что представляет серьёзную угрозу для людей на борту. «Используя современные материалы, невозможно безопасно полететь на Марс», — говорит Патель.
Нанотрубки из нитрида бора представляют собой лёгкий и высокоэффективный способ блокирования этого излучения без ущерба для механической прочности. А благодаря революционному процессу, разработанному в лаборатории Уордла, Патель может синтезировать их в концентрациях, значительно превышающих прежние ограничения НАСА, — до 50 процентов по весу по сравнению с 5–10 процентами в более ранних композитах.
Справка
Нанотрубки из нитрида бора (BNNT) представляют собой микроскопические цилиндры, по форме напоминающие соломинки для напитков, но толщиной в тысячу раз меньше человеческого волоса. Они являются близкими структурными аналогами углеродных нанотрубок (CNT), в которых атомы углерода поочерёдно замещены атомами азота и бора. В BNNT атомы бора и азота расположены в виде гексагональной решётки.
CNT и BNNT считаются самыми прочными среди лёгких наноматериалов. Благодаря своей уникальной атомной структуре BNNT обладают множеством полезных свойств, таких как высокая механическая прочность, высокая теплопроводность, электроизоляционные свойства, способность к нейтронному экранированию и стойкость к окислению. И CNT, и BNNT были впервые синтезированы в 1990-х годах.
Исследования Патель уже принесли ей престижную стипендию NASA Space Technology Graduate Research Opportunities, которая позволяет ей регулярно тестировать свои материалы на нескольких объектах НАСА. А в мае 2025 года Патель приняла участие в полёте в условиях микрогравитации, чтобы оценить возможность производства этих материалов в космосе. Миссия прошла успешно: изготовленные ею нанотрубки с тех пор побывали на Международной космической станции (МКС).
Сейчас Палак Патель находится на финишной прямой по защите своей диссертации. Пожелаем ей успеха — ведь от этого в какой-то мере зависит будущее всех космических полётов.
