Россия и всё человечество планируют сделать значительный шаг в изучении Вселенной после 2025 года. Именно с этой целью через восемь лет планируют запустить в космос обсерваторию «Миллиметрон». Задачи проекта «Спектр-М», в рамках которого её создают вместе с наземным комплексом слежения и мощным центром обработки научной информации, сводятся к тому, чтобы исследовать астрономические объекты в инфракрасном и миллиметровом диапазонах волн. Реализуя его, исследователи намереваются ещё больше узнать об эволюции Вселенной, устройстве ближайшей окрестности горизонта событий чёрных дыр и реликтовом излучении. То есть получить новые ответы на вопросы о зарождении и развитии галактик.

«Нужна защита от солнца»

В проекте, который возглавляет научно-производственное объединение имени С.А. Лавочкина, участвуют 32 организации, причём не только из нашей страны, но также из Италии и Нидерландов. Сердцем космической обсерватории станет криогенный телескоп диаметром 12 м, который будет работать и в автономном режиме и как часть интерферометра совместно с другими телескопами. Для того, чтобы создать его и другие элементы космической обсерватории, разрабатывается немало новых технологий. Некоторые из них применяются для первичного зеркала, которое по проекту состоит из трёхметровой сплошной центральной части и 72 отдельных сегментов, раскрывающихся в космосе и позволяющих адаптировать форму зеркала под требуемые задачи после выведения и охлаждения его до сверхнизких температур. Все элементы зеркала изготовят из высокомодульного углепластика – конструкции из него отличаются малым весом и высокой жёсткостью, вдобавок сам материал обладает низким коэффициентом линейного термического расширения. «Миллиметрон» также оснастят экранами диаметром около 20 м, призванными максимально уменьшить тепловые потоки, идущие в сторону зеркальной системы телескопа с солнечной стороны.

«В космосе разворачивают антенну и охлаждают её до азотных температур, даже почти до гелиевых», – поясняет научный сотрудник лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН Александр Иваненко. То есть ниже минус 200 градусов Цельсия. «Но [для работы телескопа] нужна защита от солнца, – продолжает учёный. – Защищаются с помощью металлизированных плёнок. Перед нами поставили задачу измерить отражающие способности разных плёнок и выбрать ту, которая обеспечила бы требуемые характеристики».

Так несколько лет назад началась работа красноярских физиков по проекту «Спектр-М», которая не так давно привела к созданию гибкого чёрного тела. Иными словами, субстанции, которая поглощает максимально возможное количество падающего на неё оптического излучения. «В настоящее время взаимодействие фотонного излучения и материи активно изучается, – отмечают Александр Анатольевич и его коллеги в публикации в журнале Optical Materials. – С одной стороны, это происходит потому, что оптические свойства материалов исследуют с помощью фотонного излучения. С другой, характеристики фотонного излучения определяют, используя оптические материалы».

Оптические материалы применяются во многих областях, в том числе в качестве абсорберов, поглощающих энергию излучения. Подобные поглотители могут использоваться, в частности, в солнечных термоэлектрических генераторах, которые, как следует из названия, преобразуют тепло светила в электричество. Идеальным вариантом при этом является абсолютно чёрное тело, которое поглощает всё излучение, падающее на него. На практике таких показателей добиться невозможно: уголь-антрацит поглощает 96% света, а у субстанции из углеродных нанотрубок Vantablack, которую три года назад представили учёные Национальной физической лаборатории Великобритании и специалисты компании Surrey NanoSystems, этот показатель доходит до 99,965%. Чёрное вещество из вертикально ориентированных массивов нанотрубок (именно они дали первую половину названия: Vertically Alligned NanoTubes Arrays), «растущих» на алюминиевой фольге, может использоваться, к примеру, в телескопах и инфракрасных камерах, которые работают на Земле и в космосе. Первыми его покупателями как раз и выступили предприятия аэрокосмической промышленности.

Почти алмаз

У гибкого чёрного тела, которое разработали в Красноярске, более узкая область применения. «Перед нами стояла задача измерить степень черноты полимерных металлизированных плёнок, – рассказывает Иваненко. – Для этого, в свою очередь, нужно использовать в качестве излучателя вещество с очень высокой степенью черноты. То есть чёрное тело. Оно является излучателем, плёнка – приёмником. Эти пары мы и тестировали».

Изобретение при этом обошлось существенно дешевле той же английской разработки, о стоимости которой говорят коротко: «Очень дорого». Чёрное тело изготовили из алмазно-графитовой смеси и сверхвысокомолекулярного полиэтилена – материала, широко используемого в промышлености без малого шесть десятков лет. Первый компонент получили с помощью детонационного синтеза – технологии, которая заключается в кратковременном воздействии высоких давлений и температур на углеродосодержащий материал с последующим быстрым охлаждением и при которой используется процесс детонации взрывчатых веществ. Над ней Институт физики имени Киренского когда-то работал вместе с Сибирским федеральным университетом по проекту Международной ассоциации по содействию сотрудничеству с учёными новых независимых государств бывшего Советского Союза (INTAS). «Они получали алмазно-графитовые порошки, а мы исследовали их свойства, – говорит собеседник «Сибирского энергетика». – Поэтому возникла идея использовать их, чтобы получить требуемую степень черноты. К тому же нам требовалась тонкая плёнка, обладающая малой пропускающей способностью и высокой поглощающей. Апробировали идею и получили совокупность необходимых характеристик».

Алмазно-графитовая смесь, которую при этом использовали, на 35% состоит из наноалмазов – частиц размером 4 нм с кристаллической решёткой как у алмаза. Ещё 55–60% приходится на другие формы углерода. Оставшиеся 5–10% дают примеси, содержащие металлы – железо, его оксиды и медь, которые являются частичками стенок взрывной камеры, проводов и детонаторов. Чтобы получить гибкое чёрное тело, алмазно-графитовый порошок и полиэтилен сжимают прессом при высокой температуре. На выходе получается плёнка толщиной около 90 микрон – примерно как средний человеческий волос. Для излучения с длиной волны в диапазоне 117–31,25 мкм степень черноты у неё составляет 85%, а в диапазоне 31,25–1,25 мкм (оба относятся к инфракрасному излучению. – «СЭ») превышает 98%. Она и лежит в основе универсального поглотителя тепла. «Заказчики искали аналоги подобного материала в России и не нашли, – констатирует Иваненко. – Схожие работы с близкими результатами проводятся в Чехии».

«Скорее фантазия»

Разработки по части физики чёрного тела применяются в разных отраслях, в том числе имеющих отношение к энергетике. «В нашем случае это скорее фантазия, – резюмирует Иваненко. – У нашего чёрного тела планировалась узкая сфера применения, о широкой мы не задумывались». Но для проекта космической обсерватории, равно как и для отечественной науки и техники в целом, исследования в этом направлении имеют существенное значение.