Космос представляет собой вакуум, поэтому тепло не может отводиться за счет теплопроводности. Это создает серьезную проблему для спутниковой электроники и других космических систем, которые в таких условиях быстро перегреваются. Единственный способ избавиться от избыточного тепла — излучать его в окружающее пространство. Для этого используются радиаторы, преобразующие тепло в тепловое излучение. Эффективность такого процесса напрямую зависит от способности материала излучать энергию.
Исследователи из Fraunhofer Heinrich Hertz Institute работают над модификацией металлических поверхностей, чтобы повысить их способность отдавать тепло в вакууме. Эти технологии разрабатываются в рамках нескольких проектов, в том числе совместно с Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS.
По словам руководителя исследовательской группы Eike Hübner, гладкие металлические поверхности, такие как алюминиевые корпуса спутников, внешние части ракетных сопел или корпуса силовой электроники, плохо рассеивают тепло. Для решения этой проблемы исследователи используют лазерную обработку, создавая на поверхности микрорельеф, который значительно увеличивает эффективность теплового излучения. Технология подходит как для плоских деталей, так и для сложных изогнутых форм.
Пассивное охлаждение с помощью лазерной обработки
Для создания структуры поверхности используется фемтосекундный лазер. Его импульсы настолько короткие, что испаряется лишь тонкий поверхностный слой материала, тогда как основная часть детали остается неповрежденной. На поверхности формируются микроконусы размером порядка одного микрометра. При этом химический состав металла не изменяется. Оптимизация достигается исключительно за счет физической структуры поверхности.
Дополнительным преимуществом технологии является снижение массы космических аппаратов. Традиционно для повышения теплового излучения используются специальные покрытия и краски. Лазерная обработка позволяет отказаться от них. Исследователи смогли повысить коэффициент излучения алюминия, нержавеющей стали, титана и меди до 95–99%. Для сравнения, у необработанных металлов этот показатель составляет около 10%.
Обработанные алюминиевые поверхности выдержали испытания при температурах до 650 °C. Поскольку структура остается стабильной вплоть до температуры плавления используемого металла, такие поверхности могут работать и при более высоких температурах на соответствующих материалах. В отличие от окрашенных покрытий, они также не выделяют газы и растворители со временем.
От черных поверхностей к белым
Сейчас лазерная обработка делает поверхность черной. Исследователи ищут способы получить белый вариант покрытия с сохранением высокой излучательной способности.
Это связано с особенностями работы спутников на орбите. Черные поверхности хорошо поглощают солнечное излучение и могут дополнительно нагреваться. Белые поверхности, наоборот, отражают солнечный свет, что помогает избежать лишнего нагрева радиаторов.
Более доступная технология на основе наносекундных лазеров
Совместно с Azimut Space GmbH исследователи разработали альтернативный подход. Вместо дорогостоящих и чувствительных фемтосекундных лазеров предлагается использовать более дешевые и надежные наносекундные лазеры. Обработка выполняется в атмосфере чистого кислорода и позволяет формировать похожие структуры на металлической поверхности.
Такой метод работает медленнее и обеспечивает коэффициент излучения около 85%, однако значительно снижает стоимость оборудования и внедрения технологии.
Испытания на Международной космической станции
Образцы лазерно-структурированного алюминия и титана находятся в космосе с декабря 2024 года. В рамках проекта с участием European Space Agency и компании Azimut Space GmbH эти материалы были размещены на внешней поверхности International Space Station для проверки эффективности теплоотвода в реальных условиях эксплуатации.
По данным исследователей, образцы уже возвращаются на Землю. После их получения будет проведен анализ старения материалов, возможных повреждений и изменений тепловых характеристик после длительного пребывания в космосе.
Подготовка к коммерческому использованию
Исследователи Hanan Al-Haddar и Ahmad Abdalwareth вместе с Эйке Хюбнером планируют коммерциализировать разработку через стартап Dythalis. Компания будет ориентироваться прежде всего на производителей спутников и двигательных установок для космической техники.
На выставке ILA 2026 команда представит электронные корпуса и сопла, изготовленные с использованием технологии лазерной структуризации.
Источник: TechXplore