Аэрогель и опыт его применения в мировой ракетно-космической отрасли

Аэрогель является крайне перспективным материалом, в последние годы нашедшим применение в различных областях науки и производства, начиная от текстильной промышленности или оборудования для пожарных, и заканчивая применением на большом адронном коллайдере или при проектировании различных космических аппаратов, как пилотируемых, так и автоматических. В данной статье описаны основные характеристики аэрогелей, а также представлен опыт их применения при освоении космоса.

Ключевые слова: аэрогель, пористый материал, теплоизолятор, космонавтика.

На сегодняшний день во всех сферах науки и техники применяются различные материалы, обладающие выдающимися физическими свойствами. Некоторые являются узкоспециализированными и призваны выполнять какую-то конкретную функцию, но, безусловно, более востребованы универсальные материалы, обладающие целым набором полезных качеств и применяемые в широком спектре исследовательских и научно-производственных задач. Ярким примером подобных материалов являются аэрогели, нашедшие применение во многих отраслях промышленности.

Впервые аэрогель, представленный на рисунке 1, был изобретен американским инженером Сэмюэлом Кистлером, в 1931 году описавшим метод его получения путем дегидротации алкогеля диоксида кремния в автоклаве при давлении и температуре, превышающих критическую точку [1]. В таком случае жидкость в автоклаве и порах алкогеля переходит в сверхкритическое состояние, заключающееся в отсутствии границы между жидкой и газовой фазой, что позволяет в последствии удалить жидкость из мельчайших пор алкогеля без разрушения его структуры и заполнить поры воздухом.

Рис. 1. Образец аэрогеля из диоксида кремния

Полученный мезопорный материал на 99 % состоит из воздуха, находящегося в мельчайших порах размером порядка нескольких нанометров, что отражается на крайне малой плотности материала, при этом находящегося в твердом состоянии. Эти свойства позволяют аэрогелю быть отличным теплоизолятором (в случае использования в условиях вакуума еще более эффективным), что проиллюстрировано в правой части рисунка 2.

Рис. 2. Примеры прочностных и теплоизоляционных свойств аэрогеля

Помимо этого, аэрогель является высокопрочным материалом, способным удерживать на себе массу в тысячу раз больше. Так, в левой части рисунка 2 показан кирпич, массой 2,5 кг, стоящий на куске аэрогеля массой 2,38 г. Столь малая масса обусловлена рекордно низкой плотностью аэрогелей. Так, полученный китайскими исследователями аэрогель на основе графена, также имеющий название аэрографит (представлен на рисунке 3), является рекордсменом книги Гиннеса с 2013 года как наименее плотный твердый материал с плотностью 0,16 кг/м³ [2].

Рис. 3. Аэрографит, держащийся на колосковых чешуйках растения

Активное применение аэрогеля началось к концу ХХ века, в первую очередь, в космонавтике. Так, 7 февраля 1999 года с помощью ракеты-носителя «Дельта-2» в космос была запущена автоматическая межпланетная станция «Stardust», предназначенная для исследования кометы 81Р/Вильда [3]. Одной из основных задач был сбор кометных проб в виде мельчайших частиц, летящих в хвосте кометы, а также частиц звездной пыли. Для этого на аппарате был установлена специальная ловушка для улавливания мелких частиц, показанная на рисунке 4. Она представляла собой решетку, разделенную на 132 ячейки, в которые были размещены блоки кварцевого аэрогеля. Одна сторона решетки была обращена к комете для улавливания ее частиц, другая же сторона была предназначена для сбора частиц звёздной пыли. За счет низкой плотности аэрогеля микрочастицы, попадая в ловушку, тормозились, не перегреваясь и, соответственно, не разрушаясь.

Рис. 4. Коллектор ловушки для кометных частиц и звездной пыли для аппарата «Stardust»

В последствии данная ловушка благополучно вернулась на Землю для изучения. Данная миссия позволила узнать новые детали о формировании Солнечной системы.

Не менее важным применением аэрогеля стала теплоизоляция оборудования марсианских роверов «Mars Pathfinder», «Spirit» и «Opportunity» [1]. Жаропрочность до 500 градусов Цельсия и низкая теплопроводность аэрогеля обеспечивают комфортный тепловой режим оборудования в жестких условиях марсианской атмосферы. Применение аэрогеля как средства пассивного терморегулирования в дальнейшем видится наиболее приоритетным и рациональным, т. к. он не имеет конкурентов в теплофизических характеристиках при функционировании как в нормальных условиях, так и в вакууме при криотемпературах.

Одним из недостатков аэрогелей до определенного момента считали хрупкость и неэластичность, однако, уже сейчас имеются ведутся разработки эластичных аэрогелей в NASA для применения их в будущих скафандрах, что защитит как от механических повреждений от микрочастиц, так и от экстремальных перепадов температур [1].

В России первыми получили аэрогель в новосибирском Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН и в ОИЯИ (г. Дубна). Аэрогельные панели новосибирского производства были использованы при создании большого адронного коллайдера в швейцарском г. Церн [4]. Несмотря на такой технологический прогресс, применение аэрогелей в отечественной ракетно-космической технике пока минимально, однако, с постановкой новых задач по освоению дальнего космоса перед производителями космической техники, безусловно, данное направление получит свое развитие. Аэрогель будет в первую очередь полезен как легкий и высокоэффективный теплоизолятор для космических аппаратов и применения в их наземной тепловакуумной отработке. Для должной конкурентоспособности важно к этому моменту иметь отработанную технологию получения аэрогелей, как твердых, так и гибких.

Литература:

1. Bheekhun, Nadiir & Abu Talib, Abd Rahim & Hassan, Mohd Roshdi. (2013). Aerogels in Aerospace: An Overview. Advances in Materials Science and Engineering. 2013.

3. Aerogels: Nanotechnology to Space and Beyond [Электронный ресурс]: URL:\http://sustainable-nano.com/2016/03/23/aerogels-space/ (дата обращения: 17.07.19)

4. Иванов Н. Н., Иванов А. Н. Теплоизоляционный аэрогель и пьезоактивная пленка PVDF — современные перспективные материалы для космической техники и космического приборостроения//Вестник ФГУП НПО им. С. А. Лавочкина. 2011. № 2. С. 46–52.