Стекла для иллюминаторов Национальной орбитальной космической станции «РОС» разработают томские ученые

Иллюминаторы в космосе – это не просто окна для экипажа. Прежде всего, они служат для наблюдений и съемок с использованием оптических приборов, поэтому крайне важно, какими оптическими, защитными и прочностными свойствами они будут обладать. Над улучшением этих свойств успешно работает коллектив лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий ИФПМ СО РАН под руководством профессора Виктора Сергеева.

Проблема заключается в том, что космические иллюминаторы находятся в очень агрессивной среде. В их стекла с огромной скоростью, достигающей нескольких километров в секунду, ударяются метеороиды и микрочастицы космического мусора. Они разрушают поверхностный слой, образуют кратеры, окруженные трещинами длиной до нескольких миллиметров. Это значительно снижает прочность стекол и портит их оптические характеристики.

По заданию Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева ученые ИФПМ СО РАН провели расчеты, позволившие установить допустимый срок эксплуатации иллюминаторов на Международной космической станции.

– Мы получили фотоснимки внешних стекол иллюминаторов Российского сегмента МКС, сделанные российскими космонавтами в космосе. Затем совместно с нашими коллегами из НИИ прикладной математики и механики ТГУ с помощью специальной установки смоделировали ситуации соударений 120 стекол-образцов и высокоскоростных микрочастиц, развивающих ту же скорость, что и в условиях открытого космоса. Таким образом, мы изучили, как на механическую прочность стекол влияет количество кратеров, их размеры, глубина и расположение, – рассказал Виктор Петрович.

Затем с помощью специальных расчетов ученые оценили остаточный ресурс эксплуатации иллюминаторов. Согласно расчетам, иллюминаторы на МКС прослужат еще как минимум до 2030 года.

Решая задачу повышения ударной стойкости и срока службы иллюминаторов, научный коллектив лаборатории оценил перспективность использования в них других видов стекол, кроме используемого сегодня в России кварцевого стекла (его основу составляет оксид кремния).

Проведенные исследования показали, что оптические стекла на основе оксидов натрия и кальция не превосходят по долговечности кварцевые, но их стоимость гораздо выше. Стекла из лейкосапфира, основу которого составляет оксид алюминия, напротив, превосходят кварцевые по твердости в полтора раза и по прочности – почти в два раза, но широкому внедрению такого стекла в космонавтике также препятствует высокая стоимость – в три раза выше, чем у традиционного кварцевого стекла.

Эффективно повысить ударную стойкость кварцевых стекол, приблизив их характеристики к лейкосапфировым, можно путем нанесения на них многоуровневых (до 10 слоев) покрытий, разработанных в ИФПМ СО РАН. Первая партия стекол с защитными покрытиями, нанесенными с помощью ионно-плазменного оборудования, также разработанного в институте, успешно прошла необходимые испытания и уже передана в РКК «Энергия» для оснащения новых космических кораблей.

На фото слева направо: ведущий технолог-исследователь Альфред Сунгатулин, заведующий лабораторией материаловедения покрытий и нанотехнологий Виктор Сергеев и ведущий технолог исследователь Марк Калашников

Наконец, сегодня в ИФПМ СО РАН выполняется разработка стекол для иллюминаторов Национальной орбитальной космической станции (РОС).

– Необходимо решить целый комплекс задач, связанных с повышением оптических характеристик стекол и их однородностью. Важно уменьшить массу производимых иллюминаторов, так как вывод каждого килограмма груза на космическую орбиту обходится очень дорого. Повышение прочности стекол за счет нанесения защитных покрытий позволит уменьшить их толщину, следовательно, их вес, а, значит, и сократить экономические издержки, – пояснил В.П. Сергеев.

К 2026 году томские материаловеды должны создать уникальные стекла с защитными покрытиями для иллюминаторов большого диаметра (до полуметра), что откроет новые возможности для работы оптических приборов – телескопов и съемочной аппаратуры.