Исследователи из МИЭМ НИУ ВШЭ впервые облучили популярные в космической технике полимеры лавсан и каптон в интервале от нескольких микросекунд до нескольких часов при температуре -170 °С и +20 °С, а также сравнили их электропроводность при таких условиях. Оказалось, что при температуре -170 °С каптон проводит электричество в 10 раз хуже, чем при +20 °С. Полученные данные помогут инженерам-конструкторам лучше защитить космические аппараты от статических разрядов, вызванных ионизирующим излучением. Исследование опубликовано в Journal of Applied Physics.
За пределами атмосферы Земли на космические аппараты воздействуют разные факторы: вакуум, ионизирующее излучение, космический мусор, микрометеориты, перепады температур и т.д. Ионизирующее излучение (радиация) — один из самых опасных факторов, который возникает из-за солнечного ветра, космических лучей и многого другого. По статистике, половина космических аппаратов выходит из строя именно из-за электростатических разрядов, вызванных ионизирующим излучением.
В деталях космического аппарата часто используют полимерные материалы. Они гораздо легче металлов и хорошо подходят для изоляции кабелей, экранно-вакуумной теплоизоляции и для конструктивных элементов. Вероятность возникновения электростатических разрядов на полимерных деталях зависит от электропроводности полимера: чем она выше, тем меньше вероятность возникновения поломки, благодаря тому, что заряды успевают «растечься» по материалу и не концентрируются в одном месте.
Если заряженные частицы попадут на полимер с высоким сопротивлением и низкой электропроводностью, то могут в нем застрять. Когда у зарядов нет возможности распределиться по корпусу, они накапливаются в одном месте, из-за чего возникает высокая напряжённость электрического поля, вызывающая электростатический разряд. Другими словами, возникает искра, из-за которой разрушаются конструктивные элементы и отказывают приборы космических аппаратов.
Ильшат Муллахметов
Один из авторов статьи, стажёр-исследователь Лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ
Как отмечают учёные, в процессе запуска в космос температура поверхности спутников изменяется в диапазоне от -150 °C до +150 °C. Поведение материалов при высокой температуре уже хорошо изучено, а исследований полимерных материалов при низкой температуре ещё мало. Однако именно при низких температурах выше вероятность возникновения разрядов и поломки космических аппаратов.
Исследователи НИУ ВШЭ изучили поведение электрофизических свойств полимерных материалов при низкой температуре и вычислили значения электропроводности для двух полимеров, которые чаще всего используют в космической отрасли: лавсана и каптона. Эксперимент проводился так: в установку помещали образец полимера, откачивали воздух, чтобы добиться вакуума, а затем облучали образец электронами с энергией 50 кэВ. Эксперименты длились от нескольких микросекунд до нескольких часов и проводились при температуре -170 °С. Данные фиксировали датчики внутри установки, затем учёные проводили расчеты и анализировали их.
Оказалось, что поведение электропроводности каптона при -170 °С отличается от результатов при +20 °С. При комнатной температуре радиационная электропроводность каптона постепенно растёт, проходит максимум, немного опускается, а после 100 секунд облучения резко возрастает. При низкой же температуре увеличения электропроводности не происходит, а она, наоборот, падает. В итоге при комнатной температуре радиационная электропроводность каптона после часа облучения составила 5*10-13 Ом-1м-1, а при низкой температуре — уже в 10 раз меньше.
Традиционно для описания поведения носителей заряда в полимерах при комнатной температуре используется модель Роуза — Фаулера — Вайсберга. Учёные подтвердили, что она хорошо подходит и для описания радиационной электропроводности при температуре -170 °С.
Ранее, для низких температур, эта модель проверялась только в течение нескольких микросекунд. Мы же улучшили лабораторную установку и провели эксперимент длительностью более часа, благодаря чему нам удалось определить параметры, которые могут использовать инженеры в расчётах, когда строят космический аппарат. С фундаментальной точки зрения наши результаты показывают, что формализм многократного захвата, который как раз используется в модели Роуза — Фаулера — Вайсберга, описывает транспорт носителей заряда в этих двух полимерах даже при низких температурах.
Ильшат Муллахметов
Один из авторов статьи, стажёр-исследователь Лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ
В дальнейшем исследователи планируют изучить и другие материалы, которые используются в экстремальных условиях. В первую очередь это будут материалы, использующиеся атомных электростанциях.
IQ