После глобальных прорывов прошлого столетия космонавтика неспешно продолжает свое эволюционное развитие. Ученые и инженеры уже несколько десятилетий бьются за каждый килограмм полезной нагрузки, работая над созданием деталей для ракет и спутников из легких и прочных материалов.
По словам генерального директора госкорпорации «Роскосмос» Дмитрия Баканова, за последние пять лет в отечественной космонавтике появилось около 30 новых сплавов и композитов, которые сокращают массу изделий. Однако для новых революционных прорывов в отрасли ограничения материалов по-прежнему остаются одним из фундаментальных барьеров, который ученые пока не могут преодолеть без серьезных компромиссов. Ко Дню космонавтики доктор технических наук, профессор кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС Игорь Блинков рассказывает о перспективных материалах для космоса.
Игорь Блинков — доктор технических наук, руководитель научной школы НИТУ МИСИС «Покрытия и поверхностное модифицирование материалов». За разработки материалов для аэрокосмической отрасли награжден медалью академика М.В. Келдыша Федерации космонавтики России / © Пресс-служба НИТУ МИСИС
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 системамСовременные 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.