3D-печатные гидрогели улучшают радиационную защиту астронавтов

Ученые из Гентского университета, научно-исследовательского учреждения, специализирующегося на полимерной химии и биоматериалах, оценивают 3D-печатные гидрогели как радиационный щит для астронавтов. Эти материалы, которые могут поглощать и содержать большое количество воды, могут предложить более безопасную альтернативу традиционным методам защиты. Исследование, проведенное в сотрудничестве с Европейским космическим агентством (ESA), направлено на решение проблем, связанных с использованием воды в качестве радиационной защиты, путем включения ее в суперпоглощающие полимеры (SAP), которые можно напечатать на 3D-принтере в стабильные структуры.

Астронавты, путешествующие за пределы земной атмосферы и магнитного поля, испытывают высокие дозы космического излучения от солнечных вспышек и дальнего космоса. Один день в космосе подвергает их радиации столько же, сколько круглогодично на Земле. Для длительных миссий на Луну или Марс экранирование должно быть легким, эффективным и адаптированным к разным условиям.

Исследования показали, что вода является эффективным радиационным барьером, но использование в жидкой форме вызывает технические проблемы. Жесткие контейнеры могут ограничивать движение астронавтов, вызвать неравномерное покрытие или риск утечек в случае проколов. По словам исследовательской группы Гентского университета, гидрогели могут предложить решения, удерживая воду в стабильной, не протекающей форме, обеспечивая равномерное экранирование, оставаясь гибкими.

Группа полимерной химии и биоматериалов (PBM) Гентского университета специализируется на разработке материалов на основе полимеров для медицинского и промышленного применения. В рамках этого исследования команда использует 3D печать для формирования гидрогелей в специальные экраны от радиации.

«Красота этого проекта состоит в том, что мы работаем с хорошо известной технологией», — сказал Лэнни Ван Дейл, исследователь проекта. «Гидрогели содержатся во многих вещах, которыми мы пользуемся каждый день, от контактных линз до подгузников и средств гигиены. У нашей исследовательской группы опыт применения в области медицины — использование гидрогелей в качестве мягкого имплантированного материала для восстановления поврежденных тканей и органов».

В отличие от свободно текучей воды, 3D-печатные гидрогелевые структуры сохраняют воду в стабильной форме, что облегчает их интеграцию в скафандры и космические корабли. Способность материала удерживать воду без утечки обеспечивает стабильную защиту даже в случае повреждения.

«Подпоглощающий полимер, который мы используем, можно обрабатывать с помощью нескольких различных методов, которые являются редкостью и преимуществом среди полимеров», — сказала Манон Минсарт, другой исследователь проекта. "Мы выбрали метод 3D-печати, который позволяет нам создавать гидрогель почти любой формы, которую мы хотим".

Предыдущий проект ESA Discovery исследовал гидрогели в качестве потенциального космического материала и продемонстрировал их жизнеспособность для экранирования. Текущее исследование расширяет эти выводы путём усовершенствования техники 3D-печати для создания функциональных радиационных экранов.

"Идет постоянный поиск легких материалов для защиты от радиации", - сказал Питер Дюбрюэль, ведущий научный сотрудник проекта. «В нашей деятельности Discovery мы успешно продемонстрировали, что гидрогели безопасны для использования в космических условиях. В дальнейшем проекте мы применяем различные методы, чтобы придать материалу форму 3D-структуры и расширить производственный процесс, чтобы мы могли приблизиться к индустриализации».

Отдел материалов, окружающей среды и контроля загрязнения ESA также изучает, как экранирование на основе гидрогеля можно использовать в миссиях без экипажа. «Материал также потенциально применим для миссий без экипажа — в радиационных экранах для космических кораблей или в качестве резервуаров для воды, когда мы оптимизируем метод получения воды из гидрогеля», — сказала Малгожата Голинская, ученый из материалов ESA.

Центр космических полетов имени Маршалла NASA сотрудничает с 3DCeram Sinto для изготовления образцов керамического материала с помощью 3D-принтера C1000 FLEXMATIC. Компоненты производятся для программы Международного эксперимента на космической станции (MISSE), предусматривающей прикрепление тестовых материалов к внешней части МКС для оценки их долговечности в условиях невесомости, радиационного воздействия и экстремальных температур. 3DCeram, производитель, специализирующийся на стереолитографии (SLA) керамической 3D-печати, завершил тестирование 20 керамических деталей в своем Grand Ledge объекта, которые планируется запустить в будущем году. Результаты помогут определить, можно ли использовать керамические компоненты для тепловых экранов и структурных элементов космических кораблей.

NASA также продвигает использование металлических сплавов для экстремальных условий. GRCop-42, медь-хром-ниобиевый сплав, разработанный исследовательским центром Гленна NASA (GRC) и Центром космических полетов имени Маршалла NASA, оптимизируется для жидкостных ракетных двигателей благодаря его высокой теплопроводности и прочности. Чтобы расширить применение компания Nikon SLM Solutions разработала новые параметры материала GRCop-42 для 3D-печати методом слияния лазерного порошка. Эти параметры обеспечивают 99,97% плотность напечатанных деталей и были протестированы на 3D-принтерах SLM 280 2.0 700 Вт перед масштабированием систем NXG XII 600, которые поддерживают широкоформатную 3D-печать для компонентов космического корабля.