Erfand einen Film, der vor kosmischer Strahlung schützt

Die Probe im Inneren enthält Hunderttausende von Nanopartikeln, die mit durchgelassenem Licht interagieren. Foto: Stuart Hay, Australian National University

Eines der Haupthindernisse für die Kolonisierung des Mars und anderer bemannter Weltraummissionen ist die gefährliche kosmische Strahlung. Während des Fluges zum Mars werden die Astronauten hochionisierten , hochionisierten Teilchen ausgesetzt , die als kosmische Strahlen galaktischen und solaren Ursprungs (GCR und SCR) bekannt sind.

Andrey Miroshnichenko, Andrey Komar, Sergey Kryuk, Yuri Kvishar und Kollegen (alle vom Zentrum für nichtlineare Physik an der Fakultät für Physik und Ingenieurwissenschaften der Australian National University) unter der Leitung von Dr. Mohsen Rahmani erfanden Nanomaterialien mit ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften Eigenschaften. Wissenschaftler glauben, dass diese Eigenschaften auch verwendet werden können, um Raumanzüge und Satelliten teilweise vor kosmischer Strahlung zu schützen.

Durch die Anzahl der Teilchen bestehen kosmische Strahlen zu 92% aus Protonen, zu 6% aus Heliumkernen, zu etwa 1% aus schwereren Elementen und zu etwa 1% aus Elektronen. Das Energiespektrum der kosmischen Strahlung besteht aus 43% der Energie der Protonen, weiteren 23% der Energie des Heliums (Alpha-Teilchen) und 34% der von anderen Teilchen übertragenen Energie. Aufgrund der extrem hohen Energie von mehr als 10 MeV passieren diese Partikel die Auskleidung des Raumfahrzeugs und die Weichteile von Astronauten, einschließlich des Gehirns. Im menschlichen Körper verursacht ionisierende Strahlung eine Vielzahl von Schäden auf molekularer Ebene, einschließlich der Störung von Zellreparaturprozessen und der Verlangsamung der Heilung beschädigter Gewebe. GCRs verursachen Störungen im Nervensystem, einschließlich einer langfristigen Verschlechterung der geistigen Fähigkeiten aufgrund einer Vereinfachung der dendritischen Struktur, Änderungen der Proteinspiegel in Synapsen und Entzündungen des Nervengewebes ( Experimente wurden an Mäusen durchgeführt ).

Die NASA und Forschungsteams auf der ganzen Welt suchen nun nach einer Möglichkeit, den wirksamsten Schutz gegen Weltraumstrahlung zu schaffen. Der direkteste Ansatz für einen solchen Schutz ist eine dicke Materialschicht, die kosmische Strahlung absorbiert . Eine Gruppe australischer Wissenschaftler bietet einen radikal anderen Weg: Ihr Material absorbiert keine Strahlung, sondern streut sie . Sie beschreiben es ausführlicher in ihrem wissenschaftlichen Artikel „Reversible Thermal Tuning of All-Dielectric Metasurfaces“.

Eine Metaoberfläche ist eine zweidimensionale Struktur von Nanopartikeln oder Mikropartikeln, die sich nach einem bestimmten Gesetz in Abständen befinden, die kürzer als die Wellenlänge sind . Metaoberflächen werden in der Photonik verwendet, um die Front und Phase der einfallenden elektromagnetischen Strahlung gemäß einem bestimmten Gesetz zu ändern. Von besonderem Interesse sind Metaoberflächen, bei denen Partikel den Brechungsindex in Abhängigkeit vom äußeren Einfluss - Licht, Magnetfeld oder Temperatur - ändern.

In diesem Fall reflektiert oder durchlässt die dielektrische Metaoberfläche Licht in Abhängigkeit vom Brechungsindex von Silizium, der von der Temperatur abhängt. Das heißt, seine Eigenschaften können durch Erhitzen oder Abkühlen der Oberfläche gesteuert werden. Wissenschaftler haben gezeigt, wie eine klare Resonanz aufgrund der Interferenz zwischen dem magnetischen Dipol und dem elektrischen Quadrupolmodus in einem speziell zusammengesetzten 2D-Gitter aus Nanopartikeln erzielt werden kann.



Durch Steuern der Temperatur kann diese Resonanz gesteuert werden und eine gerichtete Streuung (d. H. Streuung in einem engen Winkel) von der Metaoberfläche in dem Spektralfenster von 75 nm kann induziert werden. Dies kann zu einer 50-fachen Erhöhung der Strahlungsanisotropie (Strahlungsrichtung) führen. Die Autoren glauben, dass eine solche reversible Änderung der Materialeigenschaften in verschiedenen Bereichen nützlich sein kann, einschließlich Meta-Linsen und Meta-Hologrammen . Der Film ändert den Brechungsindex (transparent oder undurchsichtig), auch im sichtbaren Lichtbereich, sodass er für die Innenausstattung verwendet werden kann - zum Abdecken von Fenstern (anstelle von Vorhängen oder Jalousien), in Autos usw. Diese Metaoberflächen können auch zumindest zur teilweisen Streuung kosmischer Strahlen verwendet werden.


Associate Professor Andrei Miroshnichenko (links) und Dr. Mohsen Rahmani, führende Autoren der wissenschaftlichen Arbeit, demonstrieren das neue Nanomaterial. Foto: Stuart Hay, Australian National University

Ein dünner Film dieses Metamaterials wird auf jede Oberfläche, einschließlich Raumanzüge, aufgebracht. „Unsere Erfindung hat viele Verwendungsmöglichkeiten, beispielsweise den Schutz von Astronauten oder Satelliten mit einem ultradünnen Film, der so eingestellt werden kann, dass er gefährliche ultraviolette oder infrarote Strahlung in verschiedenen Umgebungen reflektiert“, sagt Dr. Rahmani. "Diese Technologie erhöht die Widerstandsschwelle gegen schädliche Strahlung im Vergleich zu modernen Technologien, die auf der Absorption von Strahlung in einer dicken Schicht von [Substanz] beruhen, erheblich."

Es ist schwer vorstellbar, wie ein praktisch zweidimensionaler Film mit einer Energie von 10 MeV vor hochenergetischen Gammapartikeln schützt. Dies ist wahrscheinlich nicht möglich. Vielleicht kann der Film Partikel / Wellen mit weniger Energie reflektieren / streuen. In jedem Fall ist das Material nützlich, wenn es wirklich effektiver ist als eine dicke Schicht Blei oder Wasser, wie Wissenschaftler sagen.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 3. Juli 2017 in der Zeitschrift Advanced Functional Materials (doi: 10.1002 / adfm.201700580) veröffentlicht.