Inventou um filme que protege contra radiação cósmica

A amostra contém centenas de milhares de nanopartículas que interagem com a luz transmitida. Foto: Stuart Hay, Universidade Nacional Australiana

Um dos principais obstáculos à colonização de Marte e quaisquer outras missões espaciais tripuladas é a perigosa radiação cósmica. Durante o vôo para Marte, os astronautas serão expostos a partículas altamente ionizadas de alta energia , conhecidas como raios cósmicos de origem galáctica e solar (GCR e SCR).

Andrey Miroshnichenko, Andrey Komar, Sergey Kryuk, Yuri Kvishar e colegas (todos do Centro de Física Não Linear da Escola de Física e Engenharia da Universidade Nacional Australiana), liderados pelo Dr. Mohsen Rahmani, inventaram nanomateriais com características físicas incomuns. propriedades. Os cientistas acreditam que essas propriedades também podem ser usadas para proteger parcialmente trajes espaciais e satélites da radiação cósmica.

Pelo número de partículas, os raios cósmicos são compostos de prótons em 92%, os núcleos de hélio em 6%, os elementos mais pesados ​​representam cerca de 1% e os elétrons representam cerca de 1%. O espectro de energia dos raios cósmicos consiste em 43% da energia dos prótons, outros 23% da energia do hélio (partículas alfa) e 34% da energia transferida por outras partículas. Devido à energia extremamente alta de mais de 10 MeV, essas partículas passam pelo revestimento da espaçonave e pelos tecidos moles dos astronautas, inclusive pelo cérebro. No corpo humano, a radiação ionizante causa uma variedade de danos no nível molecular, incluindo a interrupção dos processos de reparo celular e a lentidão na cicatrização dos tecidos danificados. Os GCRs causam distúrbios no sistema nervoso, incluindo deterioração a longo prazo da capacidade mental devido à simplificação da estrutura dendrítica, alterações nos níveis de proteínas nas sinapses e inflamação do tecido nervoso ( experimentos foram realizados em camundongos ).

A NASA e as equipes de pesquisa em todo o mundo agora estão procurando uma maneira de criar a proteção mais eficaz contra a radiação espacial. A abordagem mais direta para essa proteção é uma espessa camada de algum material que absorve os raios cósmicos. Um grupo de cientistas australianos oferece uma maneira radicalmente diferente: seu material não absorve, mas dispersa a radiação. Eles o descrevem com mais detalhes em seu artigo científico "Sintonia térmica reversível de metassuperfícies totalmente dielétricas".

Uma metassuperfície é uma estrutura bidimensional de nanopartículas ou micropartículas localizadas no espaço de acordo com uma determinada lei a distâncias menores que o comprimento de onda . As metassuperfícies são usadas na fotônica para alterar a frente e a fase da radiação eletromagnética incidente de acordo com uma lei. De particular interesse são as metassuperfícies nas quais as partículas alteram o índice de refração, dependendo da influência externa - luz, campo magnético ou temperatura.

Nesse caso, a metassuperfície dielétrica reflete ou transmite luz, dependendo do índice de refração do silício, que depende da temperatura. Ou seja, suas propriedades podem ser controladas aquecendo ou resfriando a superfície. Os cientistas mostraram como obter uma ressonância clara devido à interferência entre os modos dipolo magnético e quadrupolo elétrico em uma estrutura de nanopartículas 2D especialmente composta.



Ao controlar a temperatura, essa ressonância pode ser controlada e a dispersão direcional (isto é, a dispersão em um ângulo estreito) a partir da meta-superfície na janela espectral de 75 nm pode ser induzida. Isso pode levar a um aumento de 50 vezes na anisotropia da radiação (direcionalidade da radiação). Os autores acreditam que essa mudança reversível nas propriedades do material pode ser útil em vários campos, incluindo meta-lentes e meta-hologramas . O filme altera o índice de refração (transparente ou opaco), inclusive na faixa visível da luz, para que possa ser usado em design de interiores - para cobrir janelas (em vez de cortinas ou persianas), em carros, etc. Além disso, essas meta-superfícies podem ser usadas pelo menos para espalhamento parcial dos raios cósmicos.


O professor associado Andrei Miroshnichenko (à esquerda) e o Dr. Mohsen Rahmani, principais autores do trabalho científico, demonstram o novo nanomaterial. Foto: Stuart Hay, Universidade Nacional Australiana

Um filme fino desse metamaterial é aplicado a qualquer superfície, incluindo trajes espaciais. "Nossa invenção tem muitos usos em potencial, como proteger astronautas ou satélites com um filme ultrafino que pode ser ajustado para refletir perigosas radiações ultravioleta ou infravermelha em diferentes ambientes", diz o Dr. Rahmani. "Essa tecnologia aumenta significativamente o limiar de resistência contra radiação nociva em comparação com as tecnologias modernas que dependem da absorção de radiação em uma espessa camada de [substância]".

É difícil imaginar como um filme praticamente bidimensional protege contra partículas gama de alta energia com uma energia de 10 MeV. Provavelmente isso não é possível. Talvez o filme seja capaz de refletir / espalhar partículas / ondas com menos energia. De qualquer forma, o material é útil se for realmente mais eficaz do que uma espessa camada de chumbo ou água, como dizem os cientistas.

O trabalho científico foi publicado em 3 de julho de 2017 na revista Advanced Functional Materials (doi: 10.1002 / adfm.201700580).