Космическое излучение высокой энергии повреждает клетки и ДНК, что приводит к раку. Особую опасность представляют вторичные нейтроны — они рождаются при попадании первичных лучей в поверхность планет и могут быть вреднее прочих излучений в двадцать раз. Самым распространенным материалом для защиты долгое время служил алюминий. Но у него есть недостаток: при малой толщине он сам порождает дополнительные нейтроны. Тут на сцену выходят нитридоборовые нанотрубки, или БННТ. Они легкие, прочные и отлично ловят нейтроны. Диаметр такой трубки — всего пять нанометров, то есть примерно одна двадцатитысячная толщины человеческого волоса. Однако до недавнего времени технология не позволяла делать из них ничего, кроме хрупких и тонких листов, что сильно ограничивало применение материала на практике.

Исследовательская группа под руководством доктора Чан Се Гю из Центра композитных материалов Института науки и технологий Кореи (KIST) и профессор Чхве Си ен из KAIST нашли способ обойти это ограничение. Они создали плотный защитный экран из БННТ — прочный, отводящий тепло и эффективно блокирующий космическую радиацию.

Секрет в том, что ученые применили поверхностно-активное вещество — додецилбензолсульфоновую кислоту, родственную обычному мылу. Оно позволило нанотрубкам равномерно распределиться в воде, не слипаясь. Так получился жидкий кристалл с высокой концентрацией БННТ, где все трубки выстроились в одном направлении. Из этого кристалла изготовили плотную и упорядоченную пленку. По сравнению с прежними хрупкими листами новая пленка оказалась в три с лишним раза плотнее и примерно в 3,7 раза лучше задерживает нейтроны. При этом пленка остается гибкой и прочной, ее можно встраивать в разные конструкции.

Подробности опубликованы в издании Advanced Functional Materials.

Совместные расчеты с американским космическим агентством NASA показали: при одинаковой массе пленка из БННТ защищает от радиации примерно на 15% эффективнее алюминия. если взять пленку подходящей толщины, она обеспечит лунным космонавтам уровень безопасности, сравнимый с тем, что сейчас действует на Международной космической станции. Это позволяет продлить миссии на Луне вдвое — ключевое преимущество для долгосрочных экспедиций и будущих баз на Луне и Марсе. В перспективе такие пленки пойдут на легкие корпуса космических кораблей, защиту лунных и марсианских жилых модулей, а также на высокотехнологичные скафандры. Доктор Чан Се Гю из KIST подчеркивает: прорыв в том, что удалось преодолеть производственные ограничения, мешавшие использовать БННТ как космический щит. Особенно важно, что максимальная плотность и упорядоченность материала резко повысили защиту от нейтронов. А учитывая механическую прочность и теплопроводность, нитридоборовые нанотрубки могут стать универсальным материалом нового поколения не только для космоса, но и для авиации, оборонки, атомных реакторов и прочих высокотехнологичных отраслей.

Анализ стоимости и доступности

Пока технология находится на лабораторной стадии. Получение чистых БННТ и их упорядочивание — процесс дорогой, сопоставимый с производством высококачественного углеволокна на заре его появления. Значит, первые образцы обойдутся очень недешево. Но когда технологию масштабируют, цена снизится — примерно через пять-семь лет после начала промышленного выпуска. Для рядового потребителя такие материалы останутся недоступны еще долго, они нужны в первую очередь космическим агентствам и военным.

Что было до этого

Раньше из БННТ умели делать только хаотичные и непрочные пленки. Теперь ученые решили сразу две проблемы: плотность и ориентацию. Именно упорядоченность трубок дает качественный скачок в свойствах. Без этого БННТ оставались бы лабораторной экзотикой.

Этичность и возможный вред

Сама технология не несет этических противоречий. Нитрид бора химически инертен, не токсичен. Но есть нюанс: производство нанотрубок требует высоких температур и агрессивных реагентов, а при вдыхании тонкие волокна (как и любая нанопыль) могут быть опасны для легких. Так что на заводах понадобятся жесткие системы вентиляции и контроля. Вреда для конечного пользователя — космонавта — нет, скорее огромная польза.

Когда разработка выйдет в серию

Подержать в руках кусочек такой пленки или купить изделие из нее обычный человек сможет не раньше, чем через десять-пятнадцать лет, и то при условии, что материал найдет массовое применение, скажем, в защитных чехлах для авиационной электроники или в бронежилетах. В ближайшие три-пять лет об этом могут узнать только инженеры и космонавты.

Сравнение с аналогами

Прямой конкурент — полиэтилен, обогащенный бором. Он тоже хорошо ловит нейтроны и дешев, но уступает БННТ по прочности и теплопроводности. Другой аналог — композиты с карбидом бора. Они твердые, но хрупкие, как керамика. Пленка из БННТ выигрывает по гибкости и легкости. Алюминий — стандарт, но он, как сказано, генерирует лишние нейтроны. По общей эффективности на равную массу БННТ обходит алюминий на 15%.

Критика исследования

Исследователи хвалятся упорядоченностью трубок в жидком кристалле и полученной высокой плотностью. Однако в реальных условиях — при ударах, вибрациях, резких перепадах температур на старте ракеты — может ли пленка сохранить эту идеальную ориентацию? В тексте об этом ни слова. если ориентация нарушится, свойства упадут. Кроме того, испытания проводились совместно с NASA, но только в виде компьютерных симуляций, а не в реальном космосе или на ускорителе частиц. Это пока расчеты, а не железное доказательство. К тому же, остается вопрос, как скреплять между собой листы такой пленки в большие панели.

Ранее ученые пришли к выводу, что космические лучи нарушают когнитивную активность.