3D-друковані гідрогелі покращують радіаційний захист астронавтів

Вчені з Гентського університету, науково-дослідної установи, що спеціалізується на полімерній хімії та біоматеріалах, оцінюють 3D-друковані гідрогелі як радіаційний щит для астронавтів. Ці матеріали, які можуть поглинати та утримувати велику кількість води, можуть запропонувати безпечнішу альтернативу традиційним методам захисту. Дослідження, проведене у співпраці з Європейським космічним агентством (ESA), спрямоване на розв’язання проблем, пов’язаних із використанням води як радіаційного захисту, шляхом включення її в суперпоглинаючі полімери (SAP), які можна надрукувати на 3D-принтері в стабільні структури.

Астронавти, які подорожують за межі земної атмосфери та магнітного поля, відчувають високі дози космічного випромінювання від сонячних спалахів і джерел далекого космосу. Один день у космосі піддає їх радіації стільки ж, скільки цілий рік на Землі. Для довготривалих місій на Місяць або Марс екранування має бути легким, ефективним і адаптованим до різних умов.

Дослідження показали, що вода є ефективним радіаційним бар’єром, але використання її в рідкій формі викликає технічні проблеми. Жорсткі контейнери можуть обмежувати рух астронавтів, спричиняти нерівномірне покриття або ризик витоків у разі проколів. За словами дослідницької групи Гентського університету, гідрогелі можуть запропонувати рішення, утримуючи воду в стабільній, непротікаючий формі, забезпечуючи рівномірне екранування, залишаючись гнучкими.

Група полімерної хімії та біоматеріалів (PBM) Гентського університету спеціалізується на розробці матеріалів на основі полімерів для медичного та промислового застосування. У рамках цього дослідження команда використовує 3D-друк для формування гідрогелів у спеціальні екрани від радіації.

«Краса цього проєкту полягає в тому, що ми працюємо з добре відомою технологією», — сказав Ленні Ван Дейл, дослідник проєкту. «Гідрогелі містяться в багатьох речах, якими ми користуємося щодня, від контактних лінз до підгузків і засобів гігієни. Наша дослідницька група має досвід застосування в галузі медицини — використання гідрогелів як м’якого імплантованого матеріалу для відновлення пошкоджених тканин і органів».

На відміну від вільно текучої води, 3D-друковані гідрогелеві структури зберігають воду в стабільній формі, що полегшує їх інтеграцію в скафандри та космічні кораблі. Здатність матеріалу утримувати воду без витоку також забезпечує стабільний захист навіть у разі пошкодження.

«Надпоглинаючий полімер, який ми використовуємо, можна обробляти за допомогою кількох різних методів, що є рідкістю та перевагою серед полімерів», — сказала Манон Мінсарт, інший дослідник проєкту. «Ми вибрали метод 3D-друку, який дозволяє нам створювати гідрогель майже будь-якої форми, яку ми хочемо».

Попередній проєкт ESA Discovery досліджував гідрогелі як потенційний космічний матеріал і продемонстрував їх життєздатність для екранування. Поточне дослідження розширює ці висновки шляхом удосконалення техніки 3D-друку для створення функціональних радіаційних екранів.

«Іде постійний пошук легких матеріалів для захисту від радіації», — сказав Пітер Дюбрюель, провідний науковий співробітник проєкту. «У нашій діяльності Discovery ми успішно продемонстрували, що гідрогелі безпечні для використання в космічних умовах. У цьому подальшому проєкті ми застосовуємо різні методи, щоб надати матеріалу форму 3D-структури та розширити виробничий процес, щоб ми могли наблизитися до індустріалізації».

Відділ матеріалів, навколишнього середовища та контролю за забрудненням ESA також вивчає, як екранування на основі гідрогелю можна використовувати в місіях без екіпажу. «Матеріал також потенційно може бути застосований для місій без екіпажу — у радіаційних екранах для космічних кораблів або як резервуари для води, коли ми оптимізуємо метод отримання води з гідрогелю», — сказала Малгожата Голинська, науковець з матеріалів ESA.

Центр космічних польотів імені Маршалла NASA співпрацює з 3DCeram Sinto для виготовлення зразків керамічного матеріалу за допомогою 3D-принтера C1000 FLEXMATIC. Компоненти виробляються для програми Міжнародного експерименту на космічній станції (MISSE), яка передбачає прикріплення тестових матеріалів до зовнішньої частини МКС для оцінки їх довговічності в умовах невагомості, радіаційного впливу та екстремальних температур. 3DCeram, виробник, що спеціалізується на стереолітографії (SLA) керамічного 3D-друку, завершив тестування 20 керамічних деталей у своєму Grand Ledge. об'єкта, які планується запустити в наступному році. Результати допоможуть визначити, чи можна використовувати керамічні компоненти для теплових екранів і структурних елементів космічних кораблів.

NASA також просуває використання металевих сплавів для екстремальних умов. GRCop-42, мідь-хром-ніобієвий сплав, розроблений дослідницьким центром Гленна NASA (GRC) і Центром космічних польотів імені Маршалла NASA, оптимізується для рідинних ракетних двигунів завдяки його високій теплопровідності та міцності. Щоб розширити застосування, компанія Nikon SLM Solutions розробила нові параметри матеріалу GRCop-42 для 3D-друку методом злиття лазерного порошку. Ці параметри забезпечують 99,97% щільність надрукованих деталей і були протестовані на 3D-принтерах SLM 280 2.0 700 Вт перед масштабуванням до систем NXG XII 600, які підтримують широкоформатний 3D-друк для компонентів космічного корабля.