Rochester Institute of Technology

ROCHESTER – Die Weltraumumgebung ist rau und voller intensiver Strahlung. Wissenschaftler, die Raumfahrzeuge und Satelliten entwerfen, benötigen Materialien, die diesen Bedingungen standhalten.

In einem im Januar 2024 veröffentlichten Artikel zeigte mein Materialforscherteam, dass ein Halbleitermaterial der nächsten Generation namens Metallhalogenid-Perowskit sich tatsächlich von Strahlungsschäden erholen und heilen kann.

Metallhalogenid-Perowskite sind eine 1839 entdeckte Materialklasse, die in der Erdkruste reichlich vorhanden ist. Sie absorbieren Sonnenlicht und wandeln es effizient in Elektrizität um, wodurch sie sich gut für Weltraum-Solarmodule eignen, die Satelliten oder zukünftige Weltraumlebensräume mit Strom versorgen könnten.

Forscher verarbeiten Perowskite zu Tinten und beschichten diese dann auf Glas- oder Kunststofffolien. So entstehen dünne, folienartige Geräte, die leicht und flexibel sind.

Überraschenderweise schneiden diese Dünnschichtsolarzellen in Laborexperimenten ähnlich ab wie herkömmliche Siliziumsolarzellen, obwohl sie etwa 100-mal dünner sind als herkömmliche Solarzellen.

Diese Filme können sich jedoch zersetzen, wenn sie Feuchtigkeit oder Sauerstoff ausgesetzt werden.

Forscher und Industrie arbeiten derzeit daran, diese Stabilitätsbedenken für den terrestrischen Einsatz auszuräumen.

Um zu testen, wie gut sie im Weltraum überleben würden, entwickelte mein Team ein Strahlungsexperiment. Wir haben Perowskit-Solarzellen Protonen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Energien ausgesetzt und dabei eine neue und einzigartige Eigenschaft entdeckt.

Die hochenergetischen Protonen heilten den durch die niederenergetischen Protonen verursachten Schaden, sodass sich das Gerät erholen und seine Arbeit fortsetzen konnte. Herkömmliche Halbleiter, die in der Weltraumelektronik verwendet werden, weisen diese Heilung nicht auf.

Mein Team war von diesem Ergebnis überrascht. Wie kann ein Material, das sich zersetzt, wenn es Sauerstoff und Feuchtigkeit ausgesetzt wird, nicht nur der starken Strahlung im Weltraum standhalten, sondern sich auch in einer Umgebung selbst heilen, die herkömmliche Siliziumhalbleiter zerstört?

In unserer Arbeit beginnen wir, dieses Geheimnis zu lüften.

Warum spielt es eine Rolle

Wissenschaftler gehen davon aus, dass in den nächsten zehn Jahren die Zahl der Satellitenstarts in erdnahe Umlaufbahnen deutlich zunehmen wird und Raumfahrtagenturen wie die NASA die Errichtung von Stützpunkten auf dem Mond anstreben.

Materialien, die intensiver Strahlung standhalten und sich selbst heilen, werden bahnbrechend sein.

Forscher schätzen, dass der Einsatz von nur wenigen Pfund Perowskit-Material im Weltraum bis zu 10 Millionen Watt Leistung erzeugen könnte. Die Kosten für den Transport von Materialien in den Weltraum betragen derzeit etwa 4.000 US-Dollar pro Kilogramm, daher sind aktive Materialien wichtig.

Was noch unbekannt ist

Unsere Ergebnisse verdeutlichen einen faszinierenden Aspekt von Perowskiten: ihre Fähigkeit, Schäden und Defekten zu widerstehen. Perowskit-Kristalle sind eine Art weiches Material, was bedeutet, dass ihre Atome in verschiedene Zustände wechseln können, die Wissenschaftler als Schwingungsmodi bezeichnen.

Die Atome im Perowskit sind normalerweise in einem Gitter angeordnet. Aber Strahlung kann Atome aus ihrer Position werfen und das Material schädigen. Vibrationen können helfen, Atome wieder an ihren Platz zu bringen, aber wir sind uns immer noch nicht ganz sicher, wie dieser Prozess funktioniert.

Was dann?

Unsere Ergebnisse legen nahe, dass weiche Materialien in rauen Umgebungen, einschließlich des Weltraums, besonders nützlich sein können.

Doch Strahlung ist nicht die einzige Belastung, der Materialien im Weltraum ausgesetzt sind.

Wissenschaftler wissen noch nicht, wie sich Perowskit verhält, wenn es gleichzeitig Vakuumbedingungen und extremen Temperaturschwankungen sowie Strahlung ausgesetzt wird. Die Temperatur könnte bei dem Heilungsverhalten, das mein Team gesehen hat, eine Rolle spielen, aber wir müssen mehr Forschung betreiben, um herauszufinden, wie.

Diese Ergebnisse zeigen uns, dass weiche Materialien Wissenschaftlern dabei helfen können, Technologien zu entwickeln, die in rauen Umgebungen gut funktionieren. Zukünftige Forschungen könnten sich eingehender damit befassen, wie die Vibrationen in diesen Materialien mit etwaigen Selbstheilungseigenschaften zusammenhängen. GRS GRS

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