Một trong những thách thức lớn nhất khi làm việc và sống trong không gian là mối đe dọa từ bức xạ. Ngoài các tia năng lượng mặt trời và vũ trụ có hại cho sức khỏe của các phi hành gia, còn có bức xạ ion hóa đe dọa thiết bị điện tử của họ. Điều này đòi hỏi tất cả các tàu vũ trụ, vệ tinh và trạm vũ trụ được gửi lên quỹ đạo phải được che chắn bằng các vật liệu thường khá nặng và / hoặc đắt tiền.
Tìm cách tạo ra các lựa chọn thay thế, một nhóm các kỹ sư đã đưa ra một kỹ thuật mới để sản xuất che chắn bức xạ nhẹ và hiệu quả hơn so với các phương pháp hiện có. Thành phần bí mật, theo nghiên cứu được công bố gần đây của họ, là các oxit kim loại (hay còn gọi là rỉ sét). Phương pháp mới này có thể có nhiều ứng dụng và dẫn đến giảm đáng kể chi phí liên quan đến các vụ phóng không gian và không gian vũ trụ.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu xuất hiện trực tuyến và sẽ được đưa vào số tháng 6 năm 2020 của tạp chí khoa học Vật lý và hóa học bức xạ. Nghiên cứu được thực hiện bởi Michael DeVanzo, một kỹ sư hệ thống cao cấp tại Lockheed Martin Space và Robert B.Hayes, phó giáo sư kỹ thuật hạt nhân tại Đại học bang North Carolina.
Nói một cách đơn giản, bức xạ ion hóa sẽ tích lũy năng lượng lên các nguyên tử và phân tử mà nó tương tác với nhau, khiến các electron bị mất và tạo ra các ion. Trên trái đất, loại bức xạ này không phải là vấn đề, nhờ từ trường bảo vệ Trái đất và bầu khí quyển dày đặc. Tuy nhiên, trong không gian, bức xạ ion hóa rất phổ biến và đến từ ba nguồn - tia vũ trụ thiên hà (GCR), các hạt lửa mặt trời và vành đai bức xạ Trái đất (hay còn gọi là Van Allen).
Để bảo vệ chống lại loại bức xạ này, các cơ quan không gian và các nhà sản xuất hàng không vũ trụ thương mại thường sẽ bọc các thiết bị điện tử nhạy cảm trong các hộp kim loại. Trong khi các kim loại như chì hoặc uranium cạn kiệt sẽ bảo vệ tốt nhất, loại che chắn này sẽ tăng thêm trọng lượng đáng kể cho tàu vũ trụ.
Do đó, tại sao hộp nhôm được ưa thích, vì chúng được cho là mang lại sự đánh đổi tốt nhất giữa trọng lượng lá chắn và sự bảo vệ mà nó sẽ cung cấp. Như giáo sư Hayes giải thích, ông và DeVanzo đã tìm cách điều tra các vật liệu có thể bảo vệ tốt hơn và giảm trọng lượng tổng thể của tàu vũ trụ hơn nữa:
Cách tiếp cận của chúng tôi có thể được sử dụng để duy trì cùng mức che chắn bức xạ và giảm 30% trọng lượng trở lên, hoặc bạn có thể duy trì cùng trọng lượng và cải thiện khả năng che chắn từ 30% trở lên - so với các kỹ thuật che chắn được sử dụng rộng rãi nhất. Dù bằng cách nào, cách tiếp cận của chúng tôi làm giảm khối lượng không gian chiếm lấy bằng cách che chắn.
Kỹ thuật mà ông và DeVanzo đã phát triển dựa trên việc trộn kim loại oxy hóa (rỉ sét) thành polymer và sau đó kết hợp nó thành một lớp phủ phổ biến sau đó được áp dụng cho thiết bị điện tử. So với bột kim loại, các oxit kim loại cung cấp ít che chắn hơn, nhưng cũng ít độc hơn và don don đặt ra các vấn đề điện từ tương tự có thể gây trở ngại cho một thiết bị điện tử tàu vũ trụ. Như DeVanzo đã giải thích:
Tính toán vận chuyển bức xạ cho thấy rằng bao gồm bột oxit kim loại cung cấp che chắn tương đương với một lá chắn thông thường. Ở mức năng lượng thấp, bột oxit kim loại làm giảm cả bức xạ gamma đến các thiết bị điện tử với hệ số 300 và thiệt hại bức xạ neutron bằng 225%.
Đồng thời, lớp phủ ít cồng kềnh hơn hộp che chắn, Hay Hayes nói thêm. Và trong các mô phỏng tính toán, hiệu suất tồi tệ nhất của lớp phủ oxit vẫn hấp thụ bức xạ nhiều hơn 30% so với một lá chắn thông thường có cùng trọng lượng. Trên hết, các hạt oxit rẻ hơn nhiều so với cùng một lượng kim loại nguyên chất.
Ngoài việc giảm trọng lượng và chi phí cho các thiết bị điện tử trên không gian, phương pháp mới này có khả năng làm giảm nhu cầu che chắn thông thường trong các nhiệm vụ không gian. Sắp tới, DeVanzo và Hayes sẽ tiếp tục tinh chỉnh và thử nghiệm kỹ thuật che chắn của họ cho các ứng dụng khác nhau và đang tìm kiếm các đối tác trong ngành để giúp họ phát triển công nghệ cho ngành công nghiệp.
