Игорь Блинков: «Для нового прорыва в космонавтике нужны не идеи, а новые материалы»

Космос как испытательный полигон для предельных состояний материалов

Космонавтика исторически была одним из главных драйверов развития материаловедения. Многие технологии, к которым мы привыкли — сенсоры CMOS, используемые в фотокамерах смартфонов, или, например, фильтры для воды — изначально создавались для этой отрасли. Всего в мире зарегистрировано около 2000 таких изобретений, которые сегодня широко используют в сельском хозяйстве, промышленном производстве, сфере здравоохранения и ИТ.

При определении требований к материалам необходимо учитывать условия их использования в космическом пространстве, зависящие от типа орбит, срока службы и возможных изменений свойств материалов под действием среды и радиации.

При выходе на низкую околоземную орбиту аппараты сталкиваются с атомарным кислородом, который окисляет и разрушает полимерные покрытия. Дальше добавляется радиационное воздействие, приводящее к дефектам кристаллической структуры. В атмосфере Земли температура на поверхности кораблей и спутников может превышать 1500–2000°C. То есть на летательные аппараты одновременно действует сразу несколько экстремальных параметров, которые в лабораториях обычно изучаются по отдельности.

Вакуум усиливает испарение и дегазацию, а радиация и циклические температурные нагрузки разрушают микроструктуру материалов. При этом ключевая проблема здесь — не просто деградация, а потеря предсказуемости в поведении веществ. Материал может вести себя стабильно в лаборатории и резко менять свойства в космосе из-за ряда факторов, которые на Земле трудно воспроизвести одновременно даже на короткое время. 

Фокус на поверхности: переход от сплавов к функциональным инженерным системам

Современные материалы для космоса представляют собой сложные иерархические системы. Ученые добиваются новых характеристик не за счет корректировки состава, а конструируя архитектуру на атомном уровне с точностью, недоступной еще несколько десятилетий назад.

Макроскопические свойства определяют структурные элементы материала в наномасштабе — зерна и субзерна. Например, уменьшая размер зерна до нанодиапазона, можно одновременно повысить прочность и сопротивление трещинообразованию, а контролируя распределение фаз — замедлить окисление при экстремальных температурах. Фактически речь идет о «настройке» материала изнутри, когда его поведение задается не только химическим составом, но и точной конфигурацией структуры. Именно так сегодня создают ультравысокотемпературные керамики и углеродные композиты, способные работать при сверхвысоких температурах.

Также все чаще материалы для аэрокосмических систем конструируют по принципу многослойности. Базовая подложка отвечает за механическую прочность, переходные слои сглаживают тепловые напряжения и различия в свойствах, а верхние функциональные покрытия защищают от радиации, окисления и износа. В результате базовый материал можно оптимизировать под прочность и массу, а критические функции вынести на поверхность. Перспективным классом жаростойких и износостойких покрытий являются аморфные материалы на основе боридов и силицидов.

Тренды в материалах для космоса: 3D-печать и цифровые двойники

Прямо сейчас аддитивные технологии меняют инженерную логику в контексте развития космических технологий. Речь идет не только о возможности создавать детали сложной формы, которые невозможно получить традиционными методами, но и о переносе самого производства за пределы планеты, так как в условиях микрогравитации фазовые превращения и диффузия происходят иначе; даже хорошо изученные вещества могут демонстрировать новое поведение. С одной стороны, это открывает возможность получения структур, недостижимых в земных условиях, с другой — резко повышает требования к предсказуемости свойств: от стабильности порошков до управляемости процессов спекания. В перспективе космические аддитивные технологии открывают путь к появлению новых классов материалов, спроектированных с учетом особенностей среды, в которой они будут использоваться. Однако без глубокого понимания физико-химии процесса, 3D-печать в космосе останется экспериментом, а не инструментом.

Еще один тренд — предиктивное цифровое материаловедение и цифровые двойники. Сейчас ученые заранее могут рассчитать свойства, которые хотят смоделировать, а с помощью цифровых двойников прогнозируют деградацию и подбирают параметры под конкретные нагрузки. Это позволяет не просто ускорить разработку новых материалов, но и существенно снизить их стоимость, моделируя дорогостоящие испытания. Также это сокращает технологический путь от идеи до внедрения нового материала — критически важный фактор в условиях глобальной конкуренции.

Как ученые создают материалы для новых космических миссий

Отрасль требует материалов с предсказуемым поведением на длительный срок эксплуатации, покрытий с адаптивными свойствами, систем самовосстановления и встроенных сенсорных функций. Фактически нам нужны «умные материалы», которые не просто выдерживают воздействие среды, но и умеют реагировать на нее. Ученые активно работают над их созданием, а в работе учитывают особенности сред конкретных планируемых миссий. Например, высокую абразивность лунной пыли, которая мешает на поверхности и проникает внутрь аппаратов; марсианскую радиацию, ускоряющую деградацию конструкций; венерианскую атмосферу, которая предъявляет экстремальные требования к термостойкости и химической стабильности аппаратов.

Решить эти задачи под силу специалистам, обладающим знаниями физики твердого тела, химии, механики и биоматериаловедения с ориентацией на строго заданные условия эксплуатации. Так конкуренция в космической отрасли становится в том числе конкуренцией материаловедческих школ.

Согласно рейтингу одной из самых авторитетных и признанных в мировом академическом сообществе аналитических компаний — Quacquarelli Symonds — российским вузом №1 по материаловедению несколько лет подряд является НИТУ МИСИС. В рамках пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования* у нас стартует программа специализированного высшего образования «Фундаментальная инженерия функциональных и конструкционных материалов». Как один из ее преподавателей, поделюсь секретами нашего подхода в обучении. Образовательные треки «Высокотемпературные и сверхтвердые материалы» и «Физико-химия процессов и материалов» отражают два основных класса задач, на которые мы делаем упор. Важно, что мы с коллегами готовим не узкоспециализированных технологов, а обучаем молодых исследователей создавать материалы с заданными свойствами под конкретные условия эксплуатации: будь то металлургия, медицина или космос. При этом основу обучения составляют сквозные научные проекты, которые наши студенты ведут в лабораториях университета и на площадках партнеров, в том числе в сотрудничестве с Роскосмосом и Росатомом. 

*Пилотный проект по совершенствованию системы высшего образования стартовал Указом Президента РФ в 2023 году в шести вузах: НИТУ МИСИС, МАИ, БФУ им. Канта, МПГУ, ТГУ и Горном университете. В основе новой системы лежат принципы фундаментальности, практикоориентированности и гибкости. Предусматривается уровневая структура: высшее образование, специализированное высшее образование и аспирантура. С 1 сентября 2026 года к первым шести вузам добавятся еще 11 университетов.

НИТУ МИСИС

96 статей

Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram