Die Weltraumumgebung ist rau und voller extreme Strahlung. Wissenschaftler, die Raumfahrzeuge und Satelliten entwerfen, benötigen Materialien, die diesen Bedingungen standhalten.
In einem Papier veröffentlicht im Januar 2024 in Naturkommunikation, mein Team von Materialforschern zeigten, dass ein Halbleitermaterial der nächsten Generation namens Metallhalogenid-Perowskit kann tatsächlich erholen und heilen vor Strahlenschäden.
Metallhalogenid-Perowskite sind eine Materialklasse entdeckt 1839 die in der Erdkruste in großer Menge vorhanden sind. Sie absorbieren Sonnenlicht und wandeln es effizient in Elektrizität um, was sie zu einer potenziell guten Wahl für weltraumgestützte Solarmodule die Satelliten oder zukünftige Weltraumhabitate mit Energie versorgen können.
Forscher stellen Perowskite in der Form her von Tintenund tragen Sie die Tinten dann auf Glasplatten oder Kunststoff auf, wodurch dünne, filmartige Geräte entstehen, die leicht und flexibel sind.
Überraschenderweise Dünnschicht-Solarzellen in Labordemonstrationen die gleiche Leistung wie herkömmliche Silizium-Solarzellen, obwohl sie fast 100 mal dünner als herkömmliche Solarzellen.
Aber diese Filme können sich verschlechtern, wenn sie ausgesetzt sind Feuchtigkeit oder Sauerstoff. Forscher und Industrie arbeiten derzeit daran, diese Stabilitätsbedenken auszuräumen für terrestrischer Einsatz.
Kosmische Strahlen bewegen sich durch den Weltraum und eine zu starke Belastung kann Satelliten und Raumfahrzeuge beschädigen.
Um zu testen, wie sie sich im Weltraum halten, entwickelte mein Team ein Strahlungsexperiment. Wir setzten Perowskit-Solarzellen an Protonen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Energien und eine einzigartige, neue Immobilie gefunden.
Die hochenergetischen Protonen heilten den Schaden, den die niederenergetischen Protonen verursacht hatten, sodass sich das Gerät erholen und seine Arbeit fortsetzen konnte. Bei den herkömmlichen Halbleitern, die für die Weltraumelektronik verwendet werden, ist diese Heilung nicht zu beobachten.
Mein Team war von dieser Entdeckung überrascht. Wie kann ein Material, das sich bei Kontakt mit Sauerstoff und Feuchtigkeit zersetzt, nicht nur der harten Strahlung des Weltraums widerstehen, sondern sich auch in einer Umgebung selbst heilen, die herkömmliche Siliziumhalbleiter zerstört?
In unserem Artikel haben wir begonnen, dieses Geheimnis zu lüften.
Warum es wichtig ist
Wissenschaftler prognostizieren, dass in den nächsten 10 Jahren Satelliten in erdnahe Umlaufbahnen starten wird exponentiell zunehmenund Raumfahrtagenturen wie die NASA beabsichtigen, Stützpunkte auf dem Mond zu errichten.
Materialien, die extreme Strahlung aushalten und sich selbst heilen können, würden alles verändern.
Forscher schätzen dass der Einsatz von nur wenigen Pfund Perowskit-Materialien im Weltraum bis zu 10.000.000 Watt Leistung erzeugen könnte. Derzeit kostet es etwa 4.000 US-Dollar pro Kilogramm (1.818 Dollar pro Pfund). Materialien in den Weltraum beförderndaher sind effiziente Materialien wichtig.
Was noch nicht bekannt ist
Unsere Erkenntnisse werfen Licht auf einen bemerkenswerten Aspekt der Perowskite – ihre Toleranz gegenüber Schäden und Defekten. Perowskit-Kristalle sind eine Art von weiches Materialwas bedeutet, dass ihre Atome in verschiedene Zustände übergehen können, die Wissenschaftler Schwingungsmodi nennen.
Normalerweise sind die Atome in Perowskiten gitterförmig angeordnet. Strahlung kann die Atome jedoch aus ihrer Position bringen und das Material beschädigen. Die Vibrationen könnten helfen, die Atome wieder an ihren Platz zu bringen, aber wir sind uns noch nicht sicher, wie dieser Prozess genau funktioniert.
Was kommt als nächstes?
Unsere Erkenntnisse lassen darauf schließen, dass weiche Materialien in extremen Umgebungen, einschließlich dem Weltraum, außerordentlich hilfreich sein könnten.
Aber Strahlung ist nicht die einzige Belastung, der Materialien im Weltraum ausgesetzt sind. Wissenschaftler wissen noch nicht, wie sich Perowskite verhalten, wenn sie gleichzeitig Vakuumbedingungen und extremen Temperaturschwankungen sowie Strahlung ausgesetzt sind. Die Temperatur könnte bei dem Heilungsverhalten, das mein Team beobachtet hat, eine Rolle spielen, aber wir müssen noch mehr Forschung betreiben, um herauszufinden, wie.
Diese Ergebnisse zeigen, dass weiche Materialien Wissenschaftlern dabei helfen könnten, Technologien zu entwickeln, die in extremen Umgebungen gut funktionieren. Zukünftige Forschung könnte tiefer in die Frage eintauchen, wie die Schwingungen in diesen Materialien mit etwaigen selbstheilenden Eigenschaften zusammenhängen.
Mehr Informationen:
Ahmad R. Kirmani et al., Entschlüsselung von Strahlenschäden und Heilungsmechanismen in Halogenid-Perowskiten durch energieangepasste duale Bestrahlungsdosierung, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-44876-1
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