La muestra en el interior contiene cientos de miles de nanopartículas que interactúan con la luz transmitida. Foto: Stuart Hay, Universidad Nacional AustralianaUno de los principales obstáculos para la colonización de Marte y cualquier otra misión espacial tripulada es la peligrosa radiación cósmica. Durante el vuelo a Marte, los
astronautas estarán expuestos a partículas altamente ionizadas de alta energía , conocidas como
rayos cósmicos de origen galáctico y solar (GCR y SCR).
Andrey Miroshnichenko, Andrey Komar, Sergey Kryuk, Yuri Kvishar y sus colegas (todos del Centro de Física No Lineal de la Facultad de Física e Ingeniería de la Universidad Nacional de Australia) liderados por el Dr. Mohsen Rahmani
inventaron nanomateriales con un físico inusual propiedades. Los científicos creen que estas propiedades también pueden usarse para proteger parcialmente los trajes espaciales y los satélites de la radiación cósmica.
Por el número de partículas, los rayos cósmicos están compuestos de protones en un 92%, los núcleos de helio en un 6%, los elementos más pesados constituyen aproximadamente el 1% y los electrones representan aproximadamente el 1%. El espectro de energía de los rayos cósmicos consiste en el 43% de la energía de los protones, otro 23% de la energía del helio (partículas alfa) y el 34% de la energía transferida por otras partículas. Debido a la energía extremadamente alta de más de 10 MeV, estas partículas pasan a través del revestimiento de la nave espacial y a través de los tejidos blandos de los astronautas, incluso a través del cerebro. En el cuerpo humano, la radiación ionizante causa una variedad de daños a nivel molecular, incluida la interrupción de los procesos de reparación celular y la desaceleración de la curación de los tejidos dañados. Los GCR causan alteraciones en el sistema nervioso, incluido el
deterioro a largo plazo de la capacidad mental debido a la simplificación de la estructura dendrítica, los cambios en los niveles de proteínas en las sinapsis y la inflamación del tejido nervioso (los
experimentos se realizaron en ratones ).
La NASA y los equipos de investigación de todo el mundo ahora están buscando la manera de crear la protección más efectiva contra la radiación espacial. El enfoque más directo para tal protección es una capa gruesa de algún material que
absorbe los rayos cósmicos. Un grupo de científicos australianos ofrece una forma radicalmente diferente: su material no absorbe, sino que
dispersa la radiación. Lo describen con más detalle en su artículo científico "Ajuste térmico reversible de metasuperficies totalmente dieléctricas".
Una metasuperficie es una estructura bidimensional de nanopartículas o micropartículas ubicadas en el espacio de acuerdo con una determinada ley a distancias más cortas que la longitud de onda . Las metasuperficies se usan en fotónica para cambiar el frente y la fase de la radiación electromagnética incidente de acuerdo con una ley dada. De particular interés son las metasuperficies en las que las partículas cambian el índice de refracción dependiendo de la influencia externa: luz, campo magnético o temperatura.
En este caso, la metasuperficie dieléctrica refleja o transmite luz dependiendo del índice de refracción del silicio, que depende de la temperatura. Es decir, sus propiedades se pueden controlar calentando o enfriando la superficie. Los científicos han demostrado cómo lograr una resonancia clara debido a la interferencia entre el
dipolo magnético y
los modos de
cuadrupolo eléctrico en una red de nanopartículas 2D especialmente compuesta.
Al controlar la temperatura, esta resonancia se puede controlar y se puede inducir la dispersión direccional (es decir, la dispersión en un ángulo estrecho) desde la metasuperficie en la ventana espectral de 75 nm. Esto puede conducir a un aumento de 50 veces en la anisotropía de la radiación (direccionalidad de la radiación). Los autores creen que un cambio tan reversible en las propiedades del material puede ser útil en varios campos, incluidos los meta-lentes y los
meta-hologramas . La película cambia el índice de refracción (transparente u opaco), incluso en el rango visible de luz, por lo que se puede usar en el diseño de interiores, para cubrir ventanas (en lugar de cortinas o persianas), automóviles, etc. Además, estas metasuperficies se pueden usar al menos para la dispersión parcial de los rayos cósmicos.
El profesor asociado Andrei Miroshnichenko (izquierda) y el Dr. Mohsen Rahmani, autores principales del trabajo científico, demuestran el nuevo nanomaterial. Foto: Stuart Hay, Universidad Nacional AustralianaSe aplica una película delgada de este metamaterial a cualquier superficie, incluidos los trajes espaciales. "Nuestro invento tiene muchos usos potenciales, como proteger a los astronautas o satélites con una película ultrafina que se puede ajustar para reflejar la peligrosa radiación ultravioleta o infrarroja en diferentes entornos",
dice el Dr. Rahmani. "Esta tecnología eleva significativamente el umbral de resistencia contra la radiación nociva en comparación con las tecnologías modernas que dependen de la absorción de radiación en una capa gruesa de [sustancia]".
Es difícil imaginar cómo una película prácticamente bidimensional protege contra partículas gamma de alta energía con una energía de 10 MeV. Esto probablemente no sea posible. Quizás la película sea capaz de reflejar / dispersar partículas / ondas con menos energía. En cualquier caso, el material es útil si es realmente más efectivo que una capa gruesa de plomo o agua, como dicen los científicos.
El trabajo científico fue
publicado el 3 de julio de 2017 en la revista
Advanced Functional Materials (doi: 10.1002 / adfm.201700580).