Длительные космические миссии — например, полёт на Марс — сталкиваются с целым рядом технических барьеров. Один из самых серьёзных — космическая радиация, которая может быть смертельно опасной для астронавтов.
Докторантка Массачусетского технологического института Палак Патель (Palak Patel) работает над решением этой проблемы с помощью нанотехнологий. Её исследования сосредоточены на борон-нитридных нанотрубках (Boron Nitride Nanotubes, BNNT) — крошечных цилиндрических структурах, которые могут стать новым поколением сверхпрочных материалов для космической техники.
Работая сразу на стыке кафедр механической инженерии и аэрокосмической техники, Патель объединяет промышленную логику масштабного производства с синтезом материалов на атомном уровне.
Почему радиация — главная проблема полёта на Марс
Главная угроза для людей в дальнем космосе — ионизирующее излучение. За пределами магнитного поля Земли астронавты подвергаются постоянному потоку высокоэнергетических частиц.
Парадокс в том, что даже материалы современных космических кораблей могут усугублять проблему.
Когда космическое излучение сталкивается с алюминием — стандартным материалом корпуса многих аппаратов — возникает поток вторичных нейтронов. Эти частицы особенно опасны для живых тканей.
Как объясняет Палак Патель: «С материалами, которые считаются передовыми сегодня, безопасно долететь до Марса просто невозможно».
Поэтому инженеры ищут новые материалы, которые смогут одновременно:
- защищать от радиации,
- оставаться лёгкими,
- сохранять механическую прочность конструкции.
Что такое борон-нитридные нанотрубки
BNNT — это полые цилиндры нанометрового масштаба, состоящие из атомов бора и азота. Несмотря на микроскопический размер, они обладают удивительными свойствами:
- высокой прочностью;
- устойчивостью к высоким температурам;
- способностью эффективно поглощать нейтронное излучение.
Именно последняя характеристика делает их особенно интересными для космических миссий.
Палак Патель занимается синтезом нанотрубок и созданием нанокомпозитов — материалов, в которых такие структуры встроены в матрицу из других веществ.
Прорыв в концентрации нанотрубок
Одной из главных задач было увеличить количество нанотрубок внутри композитного материала. Ранее предел составлял примерно 10 % по массе — больше добавить было технологически сложно.
Метод синтеза, разработанный в MIT, позволил Патель увеличить эту долю до 50 %. Это серьёзное достижение: материал остаётся лёгким, но становится гораздо более эффективным щитом от радиации. «MIT — единственное место, где можно синтезировать такие нанотрубки именно таким способом», — отмечает исследователь.
Многофункциональный материал для космоса
Интересно, что нанокомпозиты на основе BNNT могут решать сразу несколько задач в аэрокосмической технике. Такие материалы способны:
- защищать конструкции от космической радиации;
- предотвращать обледенение крыльев самолётов;
- обнаруживать микротрещины в конструкции;
- уменьшать износ от абразивной лунной пыли.
Таким образом, один материал может одновременно выполнять защитную, диагностическую и конструкционную функции.
Работа Патель уже вышла за пределы лаборатории. В мае 2025 года она приняла участие в параболическом полёте, чтобы проверить, можно ли производить такие нанотрубки в условиях микрогравитации. Эксперимент оказался успешным. Сегодня образцы материалов, созданных исследовательницей, находятся на орбите — на борту Международной космической станции.
Новые задачи: возвращение на Землю и лунная пыль
По мере завершения докторской диссертации Патель работает над ещё несколькими проблемами космических миссий. Среди них:
- создание теплозащитных систем для входа космических аппаратов в атмосферу;
- защита техники и скафандров от острой и электростатически заряженной лунной пыли.
Этот вопрос стал известен ещё во времена миссий Apollo program. Тогда астронавты столкнулись с тем, что микроскопические частицы лунного реголита буквально разъедали оборудование и скафандры.
