علم مواد نقش بسیار مهمی در اکتشافات فضایی ایفا میکند. بسیاری از چالشهایی که در برابر مأموریتهای سرنشیندار و بدون سرنشین قرار میگیرد، در نهایت به عواملی مانند وزن، تحمل حرارتی و مقاومت در برابر تابش، و پایداری کلی مواد بازمیگردد. به همین دلیل، نتایج یک مطالعه جدید که توسط «یونگ-کیونگ کیم» از مؤسسه علوم و فناوری کره و همکارانش انجام شده، باید برای دانشمندان مواد که بر محافظت در برابر تابش تمرکز دارند بسیار هیجانانگیز باشد. آنها پس از دههها تلاش، توانستند یک «ورقه» کاملاً یکپارچه از نانولولههای نیترید بور (BNNT) بسازند.
نانولولههای نیترید بور مدتهاست که در فهرست مواد امیدوارکننده برای کاربردهای مختلف در صنعت فضایی قرار دارند، اما یکی از مهمترین موارد استفاده آنها، محافظت در برابر تابش است. عنصر بور – که یکی از اجزای اصلی BNNTهاست – در میلههای کنترل رآکتورهای هستهای کاربرد گستردهای دارد، زیرا توانایی بینظیری در جذب نوترون دارد. مطالعات نشان دادهاند که BNNTها بهویژه در مهار نوعی نوترون خطرناک به نام «نوترون ثانویه» مؤثرند؛ نوترونهایی که زمانی ایجاد میشوند که ذرات پرانرژی به مواد محافظ برخورد کرده و اتمهای موجود در آن سپر را در هم میشکنند. در گذشته برای محافظت در برابر تابش از آلومینیوم استفاده میشد، اما این ماده سنگین است و وزن زیاد همواره یکی از بزرگترین مشکلات در طراحی و ارسال تجهیزات فضایی است.
از آنجا که نانولولههای نیترید بور با وزن بسیار کمتر قادر به ارائه سطح محافظت مشابه هستند، مدت زیادی است که از آنها به عنوان راهحلی بالقوه برای این مشکل یاد میشود. با این حال، از زمان اولین سنتز آزمایشی آنها در سال ۱۹۹۵، تولید انبوه و پایدار این ماده با مشکلات جدی همراه بوده است. رایجترین روش، «فیلتراسیون خلأ» بود که مادهای موسوم به «کاغذ باکی» تولید میکرد. این روش اگرچه قادر بود تودههای متراکم BNNT ایجاد کند، اما نمیتوانست آنها را بهطور یکنواخت روی تمام سطح موردنیاز برای ساخت سپر تابشی کارآمد پخش کند.
در اینجاست که پژوهش جدید دکتر کیم و همکارانش وارد عمل میشود. بخشی از مشکل آن است که BNNTها با آب سازگار نیستند و هنگام تماس با آن بهجای پخش شدن، تمایل به چسبیدن و کلوخه شدن دارند. معمولاً برای حل چنین مشکلی از یک «سورفکتانت» استفاده میشود؛ مادهای افزودنی که با پوشاندن نانولولهها مانع چسبیدن آنها به یکدیگر میشود. اما مشکل این بود که سورفکتانتهای استاندارد خودشان نیز تمایل به تجمع دارند و ساختارهایی به نام «مایسل» تشکیل میدهند. این مایسلها در واقع BNNTها را از هم دور کرده و مانع پراکندگی یکنواخت آنها میشوند؛ درست برخلاف هدفی که سورفکتانت دنبال میکند.
اما پژوهش جدید از نوع متفاوتی از سورفکتانت استفاده کرده است. «دودسیلبنزنسولفونیک اسید» (DBSA)، هرچند شاید برای کسانی که مدتی است شیمی آلی نخواندهاند نامی ترسناک به نظر برسد، اما در واقع یکی از ترکیبات رایج در صابون دست است. شیوه تعامل این ماده با نانولولههای نیترید بور با سورفکتانتهای معمولی تفاوت اساسی دارد. DBSA یک دولایه مولکولی ایجاد میکند که هم BNNTها را از تماس مستقیم با آب محافظت میکند و هم در اثر تجمع، مایسل تشکیل نمیدهد. نتیجه این فرآیند، ایجاد حالتی مادهای موسوم به «کریستال مایع لیتروپیک» است که در آن نانولولهها همگی در یک جهت مشخص قرار میگیرند.
همراستاسازی نانولولهها عنصر کلیدی در فرایند نشاندن آنها روی یک سطح است، و دقیقاً همین کاری است که پژوهشگران با استفاده از روشی به نام Doctor Blade انجام دادند. در این روش، کریستال مایع ایجادشده تحت نیروی برشی روی یک زیرلایه کشیده میشود و این برش باعث میشود نانولولهها بهصورت کاملاً یکنواخت روی سطح تهنشین شوند. نتیجه، یک ورقه BNNT بدون هرگونه حفره یا گسستگی است؛ نقصهایی که معمولاً در روشهای سنتی تولید چنین موادی دیده میشود.
برای اثبات اینکه این ماده جدید واقعاً از نظر محافظت تابشی بهتر عمل میکند، پژوهشگران یک شبیهسازی انجام دادند که میزان تابش عبوری از ورقه BNNT را با میزان عبوری از مقدار مشابهی آلومینیوم مقایسه میکرد. نتایج شگفتانگیز بود: برای رسیدن به سطحی از محافظت تابشی که این ورقه BNNT ارائه میدهد، آلومینیوم باید هشت برابر سنگینتر باشد. در مقیاس مأموریتهای فضایی، وزن کمتر به معنای هزینه بسیار پایینتر برای ارسال این ماده به مدار و استفاده بهعنوان سپر تابشی است.
این دستاورد بدون شک چشمگیر است، هرچند باید پذیرفت که هنوز این ماده روی یک فضاپیما در شرایط واقعی آزمایش نشده است. موادی که به فضا ارسال میشوند باید انواع فشارها، لرزشها و تغییرات دما را تحمل کنند. از نظر تئوری، BNNTها باید مقاومت لازم برای چنین شرایطی را داشته باشند، اما تا زمانی که این موضوع در عمل ثابت نشود، همچنان یک فرض خواهد بود. با این وجود، پس از سی سال کار آزمایشگاهی، بهنظر میرسد وعده این ماده فوقالعاده مقاوم در برابر تابش، بالاخره به واقعیت نزدیک شده و اکنون آمادگی دارد آینده محافظت تابشی در اکتشافات فضایی را دگرگون کند.