Ученые из МИЭМ НИУ ВШЭ впервые облучили в интервале от нескольких микросекунд до нескольких часов популярные в космической технике полимеры лавсан и каптон при разных температурах и сравнили их электропроводность. Оказалось, что при температуре -170 градусов каптон проводит электричество в 10 раз хуже, чем при +20. Полученные данные помогут инженерам-конструкторам лучше защитить космические аппараты от статических разрядов, вызванных ионизирующим излучением.
Исследование опубликовано в Journal of Applied Physics. В открытом космосе на аппараты воздействуют разные факторы: вакуум, ионизирующее излучение, космический мусор, микрометеориты, перепады температур и так далее. Ионизирующее излучение (радиация) — один из самых опасных факторов, возникающий за счет 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 напряженность электрического поля, вызывающая электростатический разряд. Другими словами, возникает искра, из-за которой разрушаются конструктивные элементы и отказывают приборы космических аппаратов», — поясняет один из авторов статьи, стажер-исследователь Лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ Ильшат Муллахметов.
Как отмечают ученые, в процессе запуска в космос температура поверхности спутников изменяется в диапазоне от -150 градусов до +150. Поведение материалов при высокой температуре уже хорошо изучено, а исследований полимерных материалов при низкой температуре еще 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, близкого к космическому пространству, и облучали образец электронами с энергией 50 кэВ. Эксперименты длились от нескольких микросекунд до нескольких часов и проводились при температуре -170 градусов. Данные фиксировали датчики внутри установки, затем ученые проводили расчеты и анализировали их.
Оказалось, что поведение электропроводности каптона при -170 градусов отличается от результатов при +20. При комнатной температуре радиационная электропроводность каптона постепенно растет, 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.
Также ученые подтвердили, что модель Роуза — Фаулера — Вайсберга, традиционно использующаяся при описании поведения носителей заряда в полимерах при комнатной температуре, хорошо подходит и для описания радиационной электропроводности при температуре -170 градусов.
«Ранее, для низких температур, эта модель проверялась только в течение нескольких микросекунд. Мы же улучшили лабораторную установку и провели эксперимент длительностью более часа и определили параметры, которые могут использовать инженеры в расчетах, когда строят космический аппарат, — поясняет Ильшат Муллахметов. — 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».
В дальнейшем исследователи планируют изучать другие материалы, которые используются в экстремальных условиях, в первую очередь материалы для устройств атомных электростанций.