محیط فضا خشن و پر از تشعشعات شدید است. دانشمندانی که فضاپیماها و ماهواره ها را طراحی می کنند به موادی نیاز دارند که بتوانند این شرایط را تحمل کنند.
در مقاله ای که در ژانویه ۲۰۲۴ منتشر شد، تیم من از محققان مواد نشان دادند که یک ماده نیمه هادی نسل بعدی به نام پروسکایت متال هالید در واقع می تواند خود را از آسیب تشعشع بازیابی و التیام بخشد.
پروسکایت های متال هالید دسته ای از مواد هستند که در سال ۱۸۳۹ کشف شدند و به وفور در پوسته زمین یافت می شوند. آنها نور خورشید را جذب می کنند و آن را به طور موثر به الکتریسیته تبدیل می کنند و به طور بالقوه مناسبی برای پنل های خورشیدی مبتنی بر فضا هستند که می توانند ماهواره ها یا زیستگاه های فضایی آینده را تامین کنند.
محققان پروسکایت‌ها را به شکل جوهر می‌سازند، سپس جوهرها را روی صفحات شیشه‌ای یا پلاستیک می‌پوشانند و دستگاه‌های نازکی مانند لایه‌ای ایجاد می‌کنند که سبک و انعطاف‌پذیر هستند.
با کمال تعجب، این سلول‌های خورشیدی لایه نازک مانند سلول‌های خورشیدی سیلیکونی معمولی در آزمایش‌های آزمایشگاهی عملکرد خوبی دارند، حتی اگر تقریباً ۱۰۰ برابر نازک‌تر از سلول‌های خورشیدی سنتی هستند.
اما اگر این فیلم ها در معرض رطوبت یا اکسیژن قرار گیرند، می توانند تخریب شوند. محققان و صنعت در حال حاضر روی رفع این نگرانی های پایداری برای استقرار زمینی کار می کنند.
برای آزمایش اینکه چگونه آنها ممکن است در فضا مقاومت کنند، تیم من یک آزمایش تشعشع انجام داد. ما سلول‌های خورشیدی پروسکایت را در معرض پروتون‌هایی با انرژی کم و زیاد قرار دادیم و ویژگی منحصر به فرد و جدیدی پیدا کردیم.
پروتون‌های پرانرژی آسیب‌های ناشی از پروتون‌های کم‌انرژی را التیام بخشیدند و به دستگاه اجازه دادند تا بازیابی شود و به کار خود ادامه دهد. نیمه هادی های معمولی که برای الکترونیک فضایی استفاده می شوند این بهبود را نشان نمی دهند.
تیم من از این یافته شگفت زده شد. چگونه ماده ای که در معرض اکسیژن و رطوبت تخریب می شود، نه تنها در برابر تشعشعات شدید فضا مقاومت می کند، بلکه در محیطی که نیمه هادی های سیلیکونی معمولی را از بین می برد، خود ترمیم می شود؟
در مقاله خود، ما شروع به کشف این راز کردیم.
چرا مهم است
دانشمندان پیش بینی می کنند که در ۱۰ سال آینده، پرتاب ماهواره به مدار نزدیک زمین به طور تصاعدی افزایش خواهد یافت و سازمان های فضایی مانند ناسا قصد دارند پایگاه هایی در ماه ایجاد کنند.
موادی که می توانند تشعشعات شدید را تحمل کنند و خود ترمیم شوند، بازی را تغییر می دهند.
محققان تخمین می زنند که استقرار چند پوند مواد پروسکایت در فضا می تواند تا ۱۰،۰۰۰،۰۰۰ وات نیرو تولید کند. در حال حاضر حدود ۴۰۰۰ دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم (۱۸۱۸ دلار در هر پوند) برای پرتاب مواد به فضا هزینه دارد، بنابراین مواد کارآمد مهم هستند.
چیزی که هنوز معلوم نیست
یافته های ما جنبه قابل توجهی از پروسکایت ها را روشن می کند – تحمل آنها در برابر آسیب و نقص. بلورهای پروسکایت نوعی ماده نرم هستند، به این معنی که اتم های آنها می توانند به حالت های مختلفی حرکت کنند که دانشمندان آن را حالت های ارتعاشی می نامند.
اتم های موجود در پروسکایت ها معمولاً به صورت شبکه ای قرار می گیرند. اما تشعشع می تواند اتم ها را از موقعیت خارج کند و به مواد آسیب برساند. ارتعاشات ممکن است به بازگرداندن اتم ها به جای خود کمک کنند، اما هنوز مطمئن نیستیم که این فرآیند دقیقا چگونه کار می کند.
بعد چی
یافته های ما نشان می دهد که مواد نرم ممکن است به طور منحصر به فردی در محیط های شدید، از جمله فضا، مفید باشند.
اما تشعشع تنها استرسی نیست که مواد برای هوازدگی در فضا دارند. دانشمندان هنوز نمی‌دانند پروسکایت‌ها وقتی در معرض شرایط خلاء و تغییرات شدید دما همراه با تشعشع قرار می‌گیرند، چگونه عمل می‌کنند. دما می‌تواند در رفتار درمانی که تیم من مشاهده کرد، نقش داشته باشد، اما برای تعیین نحوه انجام تحقیقات بیشتر باید انجام دهیم.
این نتایج به ما می گوید که مواد نرم می توانند به دانشمندان کمک کنند تا فناوری هایی را توسعه دهند که در محیط های شدید به خوبی کار می کند. تحقیقات آینده می تواند عمیق تر به چگونگی ارتباط ارتعاشات در این مواد با هر خاصیت خود ترمیم کنندگی بپردازد.
خلاصه تحقیق برداشت کوتاهی از کار جالب دانشگاهی است.
