يمثل التهديد الذي يشكله الإشعاع أحد أكبر تحديات العمل والعيش في الفضاء. بالإضافة إلى الأشعة الشمسية والكونية التي تشكل خطورة على صحة رواد الفضاء ، هناك أيضًا إشعاع مؤين يهدد أجهزتهم الإلكترونية. يتطلب هذا حماية جميع المركبات الفضائية والأقمار الصناعية والمحطات الفضائية التي يتم إرسالها إلى المدار باستخدام مواد غالبًا ما تكون ثقيلة جدًا و / أو باهظة الثمن.
بحثًا عن بدائل ، توصل فريق من المهندسين إلى تقنية جديدة لإنتاج درع من الإشعاع يكون خفيف الوزن وأكثر فعالية من حيث التكلفة من الأساليب الحالية. المكون السري ، وفقا ل بحث منشور حديثًا ، هو أكاسيد المعادن (ويعرف أيضا باسم الصدأ). يمكن أن يكون لهذه الطريقة الجديدة العديد من التطبيقات وتؤدي إلى انخفاض كبير في التكاليف المرتبطة بإطلاق الفضاء ورحلات الفضاء.
ظهرت دراسة فريق البحث على الإنترنت وسيتم تضمينها في عدد يونيو 2020 من المجلة العلمية الفيزياء الإشعاعية والكيمياء . أجرى الدراسة مايكل ديفانزو ، كبير مهندسي النظم في لوكهيد مارتن سبيس ، وروبرت بي هايز ، الأستاذ المشارك في الهندسة النووية في جامعة ولاية نورث كارولينا .
الطيف الكهرومغناطيسي المرئي. الائتمان: ناسا
ببساطة ، يقوم الإشعاع المؤين بترسيب الطاقة على الذرات والجزيئات التي يتفاعل معها ، مما يتسبب في ضياع الإلكترونات وإنتاج الأيونات. على الأرض ، لا يمثل هذا النوع من الإشعاع مشكلة ، وذلك بفضل المجال المغناطيسي الواقي للأرض والغلاف الجوي الكثيف. في فضاء ومع ذلك ، فإن الإشعاع المؤين شائع جدًا ويأتي من ثلاثة مصادر - الأشعة الكونية المجرية (GCRs) ، وجسيمات التوهج الشمسي ، وأحزمة إشعاع الأرض (المعروفة أيضًا باسم Van Allen Belts).
للحماية من هذا النوع من الإشعاع ، تقوم وكالات الفضاء ومصنعي الفضاء التجاريين بتغليف الإلكترونيات الحساسة في صناديق معدنية. بينما توفر المعادن مثل الرصاص أو اليورانيوم المستنفد أكبر قدر من الحماية ، فإن هذا النوع من الحماية من شأنه أن يضيف قدرًا كبيرًا من الوزن إلى المركبة الفضائية.
ولهذا السبب تُفضل الصناديق المصنوعة من الألومنيوم ، حيث يُعتقد أنها توفر أفضل مقايضة بين وزن الدرع والحماية التي ستوفرها. كما البروفيسور هايز شرح ، سعى هو و DeVanzo للتحقيق في المواد التي يمكن أن توفر حماية أفضل وتقليل الوزن الإجمالي للمركبة الفضائية بشكل أكبر:
'يمكن استخدام نهجنا للحفاظ على نفس المستوى من الحماية من الإشعاع وتقليل الوزن بنسبة 30٪ أو أكثر ، أو يمكنك الحفاظ على نفس الوزن وتحسين التدريع بنسبة 30٪ أو أكثر - مقارنة بأساليب التدريع الأكثر استخدامًا. في كلتا الحالتين ، يقلل نهجنا من حجم المساحة التي يشغلها التدريع '.
تعتمد التقنية التي طورها و DeVanzo على خلط مسحوق المعدن المؤكسد (الصدأ) في بوليمر ثم دمجه في طلاء مشترك يتم تطبيقه بعد ذلك على الإلكترونيات. بالمقارنة مع مساحيق المعادن ، توفر أكاسيد المعادن حماية أقل ، ولكنها أيضًا أقل سمية ولا تسبب نفس المشكلات الكهرومغناطيسية التي يمكن أن تتداخل مع إلكترونيات المركبة الفضائية. باسم DeVanzo شرح :
تظهر حسابات النقل الإشعاعي أن تضمين مسحوق أكسيد الفلز يوفر حماية مماثلة للدرع التقليدي. في الطاقات المنخفضة ، يقلل مسحوق أكسيد الفلز كلاً من إشعاع غاما على الإلكترونيات بعامل 300 وضرر إشعاع النيوترون بنسبة 225٪ '.
وأضاف هايز: 'في الوقت نفسه ، يكون الطلاء أقل كثافة من صندوق الحماية'. 'وفي عمليات المحاكاة الحسابية ، لا يزال أسوأ أداء لطلاء الأكسيد يمتص إشعاعًا بنسبة 30٪ أكثر من الدرع التقليدي من نفس الوزن. علاوة على ذلك ، فإن جسيمات الأكسيد أقل تكلفة بكثير من نفس الكمية من المعدن النقي '.
بالإضافة إلى تقليل وزن وتكلفة الإلكترونيات الفضائية ، يمكن أن تقلل هذه الطريقة الجديدة من الحاجة إلى الحماية التقليدية في المهمات الفضائية. بالنظر إلى المستقبل ، سيستمر DeVanzo و Hayes في تحسين واختبار تقنية التدريع الخاصة بهما لتطبيقات مختلفة ويبحثان عن شركاء في الصناعة لمساعدتهم على تطوير التكنولوجيا للاستخدام الصناعي.
قراءة متعمقة: NCSU و الفيزياء الإشعاعية والكيمياء