Космическая среда сурова и полна экстремальных излучений. Ученым, разрабатывающим космические корабли и спутники, нужны материалы, способные противостоять этим условиям.
В работе, опубликованной в январе 2024 года,команда исследователей материалов продемонстрировала, что полупроводниковый материал нового поколения под названием металл-галогенидный перовскит способен восстанавливаться и излечиваться от радиационных повреждений.
Металл-галогенидные перовскиты — это класс материалов, открытых в 1839 году, которые в изобилии встречаются в земной коре. Они поглощают солнечный свет и эффективно преобразуют его в электричество, что делает их потенциально подходящими для создания солнечных батарей космического базирования, способных питать спутники или будущие космические жилища.
Исследователи изготавливают перовскиты в виде чернил, затем наносят их на стеклянные пластины или пластик, создавая тонкие, похожие на пленку устройства, легкие и гибкие.
Удивительно, но в лабораторных условиях эти тонкопленочные солнечные элементы работают так же хорошо, как и обычные кремниевые, хотя они почти в 100 раз тоньше традиционных солнечных элементов.
Но эти пленки могут разрушаться при воздействии влаги или кислорода. Исследователи и промышленники в настоящее время работают над решением этих проблем стабильности для наземного применения.
Чтобы проверить, как они поведут себя в космосе, ученые разработали эксперимент с радиацией. Мы подвергли перовскитовые солнечные элементы воздействию протонов с низкой и высокой энергией и обнаружили уникальное новое свойство.
Высокоэнергетические протоны исцеляли повреждения, нанесенные низкоэнергетическими протонами, позволяя устройству восстанавливаться и продолжать работать. Обычные полупроводники, используемые для космической электроники, не обладают таким свойством.
Как материал, разрушающийся под воздействием кислорода и влаги, может не только противостоять жесткому излучению космоса, но и самовосстанавливаться в среде, разрушающей обычные кремниевые полупроводники?
В статье ученые начали разгадывать эту загадку.
Почему это важно
По прогнозам ученых, в ближайшие 10 лет число запусков спутников на околоземную орбиту будет расти в геометрической прогрессии, а космические агентства, такие как NASA, намерены создать базы на Луне.
Материалы, способные переносить экстремальную радиацию и самовосстанавливаться, изменят ситуацию.
По оценкам исследователей, если вывести в космос всего несколько фунтов перовскитовых материалов, можно будет генерировать до 10 000 000 ватт энергии. В настоящее время запуск материалов в космос стоит около 4 000 долларов США за килограмм (1 818 долларов США за фунт), поэтому эффективные материалы очень важны.
Что еще неизвестно
Наши результаты проливают свет на удивительный аспект перовскитов — их устойчивость к повреждениям и дефектам. Кристаллы перовскита относятся к типу мягких материалов, а это значит, что их атомы могут переходить в различные состояния, которые ученые называют колебательными режимами.
Атомы в перовскитах обычно расположены в виде решетки. Но радиация может сбить атомы с места, повредив материал. Колебания могут помочь вернуть атомы на место, но мы пока не знаем, как именно работает этот процесс.
Что дальше?
Выводы позволяют предположить, что мягкие материалы могут быть уникально полезны в экстремальных условиях, в том числе в космосе.
Но радиация — не единственный стресс, который приходится испытывать материалам в космосе. Ученые пока не знают, как поведут себя перовскиты, если их одновременно подвергнуть воздействию вакуума и экстремальных перепадов температур, а также радиации. Температура может играть определенную роль в заживлении, которое наблюдала моя команда, но нам нужно провести дополнительные исследования, чтобы определить, каким образом.
Эти результаты говорят нам о том, что мягкие материалы могут помочь ученым разработать технологию, которая будет хорошо работать в экстремальных условиях. В будущем можно будет глубже изучить, как вибрации в этих материалах связаны с их самовосстанавливающимися свойствами.
Автор статьи Ахмад Кирмани
