Самый черный в мире материал успешно прошел первые испытания в космосе


Устройства-трекеры, отслеживающие точное положение известных звезд, являются ключевыми компонентами большинства миссий на околоземной орбите и в дальнем космосе. Определяя положение звезд, навигационная система космического аппарата методом триангуляции вычисляет точное местоположение космического аппарата в пространстве и, исходя из этого, рассчитывает множество параметров, имеющих отношение к траектории полета, необходимости коррекции орбиты и т.п. Но работе устройства-трекера мешает свет от других космических объектов, к примеру, света от Солнца или Луны, который в некоторых случаях отражаются от поверхностей элементов оптической системы устройства и делает невозможным процесс распознавания звезды по спектру ее свечения. Для того, чтобы избежать подобного, внутренности всех "тонких" оптических инструментов покрывают специальным светопоглощающим покрытием, материал которого имеет коэффициент поглощения света, близкий к 100 процентам.

Одним из видов таких светопоглощающих покрытий является материал Vantablack S-VIS, коэффициент поглощения которого равен 99.96 процентам и который считается самым черным материалом на сегодняшний день. Этот высокоэффективный светопоглощающий материал, изготовленный на основе углеродных нанотрубок, изначально был разработан для его использования в легких и компактных оптических устройствах спутниковых систем, а сейчас он проходит испытания на борту спутника Kent Ridge 1, который был запущен на низкую околоземную орбиту (Low-Earth Orbit, LEO) в декабре 2015 года.

Спутник Kent Ridge 1 является компактным 78-килограммовым спутником наблюдения за земной поверхностью. Он предназначен для постоянного орбитального мониторинга поверхности на предмет выявления стихийных бедствий и вызванных ими разрушений на всей территории Азиатского региона. Спутник снимает высококачественные снимки поверхности при помощи двух бортовых гиперспектральных систем и одной видеокамеры с высокой разрешающей способностью.


Космический аппарат использует инерциальную систему ориентирования в пространстве с несколькими маховиками, а исходными данными для работы системы ориентации являются данные от двух устройств-трекеров звезд, установленных на нижней и верхней части космического аппарата. Точность работы трекеров прямо влияет на длительность срока службы спутника Kent Ridge 1, ведь чем более точные данные они будут предоставлять, тем меньше движений придется совершать маховикам, которые, как всем нам хорошо известно, являются "ахиллесовой пятой" подобных систем.

На работу трекеров, установленных на спутнике Kent Ridge 1, влияет прямой свет от Солнца и свет, отраженный от поверхности Земли и Луны. Зная это заранее, специалисты компании Berlin Space Technology (BST), которые занимались разработкой и изготовлением спутника, решили проявить инновационный подход и использовать материал Vantablack, который до этого времени еще ни разу не испытывался в условиях космического пространства. Этим сверхчерным материалом покрыты внутренние поверхности оптических инструментов и специальные экраны, изготовленные при помощи трехмерной печати, которые защищают объективы навигационных инструментов от света, падающего со стороны.

Согласно информации, собранной за время пребывания спутника Kent Ridge 1 в космосе, материал Vantablack продемонстрировал в 17 раз большую эффективность, нежели специальная черная краска, использовавшаяся для защиты от отраженного и рассеянного света высокочувствительной оптики космического телескопа Hubble Space Telescope и других астрономических инструментов. И это можно считать первыми успешными испытаниями материала Vantablack в условиях реального космического пространства.


Источник

Найден новый способ получения гамма-лучей при помощи лазерного света и пластиковой "мишени"


Дэвид Старк (David Stark), Том Тонциан (Toma Toncian) и Алексей Арефьев (Alexey Arefiev), исследователи из Техасского университета в Остине, нашли новый способ получения гамма-лучей при помощи луча лазерного света, поражающего мишень специальной формы, изготовленную из особого вида пластика. Результаты этого исследования еще не получили экспериментального подтверждения, но расчет сложных математических моделей подтверждает, что новый метод может лечь в основу недорогих и простых источников, позволяющих получить интенсивные гамма-лучи и которые можно применять в широком ряде областей науки и техники.

Гамма-лучи в настоящее время используются в самых разнообразных академических и практических областях, начиная от исследований ядерного синтеза и заканчивая их использованием в медицинских целях. Но для получения гамма-лучей достаточной интенсивности применяются громоздкие и дорогостоящие установки, в которых преимущественно используются лазеры на свободных электронах, лучи которых ударяют в мишени из особых материалов.

В новом подходе используется абсолютно другой принцип. Интенсивный луч лазерного света ударяет в пластиковую мишень, что приводит к формированию облака плазмы, состоящей из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Помимо образования плазмы луч лазерного света толкает ее вперед, а движение плазмы создает сильное локальное магнитное поле, которое действует как ускоритель для электронов. Движение разогнанных электронов приводит в возникновению синхротронного эффекта и гамма-лучей, направленных в строну, обратную направлению лазерного луча.

Практическая реализация такого метода получения гамма-лучей может столкнуться с некоторыми проблемами. Интенсивный луч лазерного света, ударяющий в пластиковую мишень и превращающий часть материала в плазму, может вызвать деформацию или даже разрушение мишени в целом. В случае деформации мишени это приведет к излучению нестабильного потока гамма лучей. Для решения этой проблемы исследователи рассчитали размеры и форму мишени, оказалось, что формирование мишени в виде длинного круглого канала позволит избежать нежелательных эффектов и это приведет к формированию стабильного потока гамма-лучей.

Пока исследователи еще не уверены, будет ли работать такой метод в реальном мире должным образом. Но некоторые группы физиков-экспериментаторов уже готовы взяться на практическую проверку этой теоретической идеи и в случае успеха новый метод создания интенсивного потока гамма-лучей может стать очень полезным инструментом, как для научно-исследовательских работ в области физики, так и для области практического применения.

Источник

Ученые нашли способ 20-тысячекратного увеличения яркости фотолюминесцентного свечения двухмерного полупроводникового материала


Исследователи из Национального университета Сингапура (National University of Singapore, NUS) нашли способ многократного увеличения яркости фотолюминесцентного свечения полупроводникового материала, диселенида вольфрама. Данное достижение прокладывает путь этому материалу, который относится к классу "двухмерных" кристаллических материалов-дихалькогенидов, для его применения в области оптоэлектроники, фотоники и в других практических областях, включая солнечные батареи, квантовые точки и эффективные светодиодные источники света.

Диселенид вольфрама сам по себе демонстрирует неплохую эффективность преобразования электрической энергии в энергию света и наоборот. Однако, тонкость этого материала служит фактором, сильно ограничивающим его способности к поглощению или излучению фотонов света, фотолюминесценции. Для преодоления этих ограничений исследователи из NUS использовали так называемые плазмонные наноструктуры, структуры, состоящие из колеблющихся "облаков" свободных электронов, возникающих после того, как фотоны света ударяют в металлическую поверхность. Использование данного эффекта позволило увеличить в 20 тысяч раз эффективность и яркость фотолюминесцного излучения диселенида вольфрама.

"Мы продемонстрировали, что использование плазмонных нанострукур, изготовленных из золота, может обеспечить беспрецедентное увеличение эффективности процесса поглощения или излучения света двухмерным материалом" - рассказывает Ван Жуо (Wang Zhuo), один из ведущих исследователей, - "В принципе, всего этого можно добиться и при помощи наноструктур не только из золота, но и из других материалов и по отношению к двухмерным материалам других типов".

Следует отметить, что это не первая попытка увеличения эффективности поглощения и излучения света пленкой диселенида вольфрама. Во время предыдущих исследований ученым удалось добиться 1000-кратного увеличения эффективности по отношению к показателям, которые материал демонстрирует в естественном состоянии. В принципе, получение такого существенного увеличения эффективности уже само по себе является достижением, но оно не может обеспечить целесообразности практического применения данного материала.

Более кардинального увеличения эффективности процессов поглощения и излучения света ученым удалось добиться, осадив пленку диселенида вольфрама на золотой поверхности, на который были создана решетка из "траншей", шириной 20 нанометров. Плазмоны, возникающие в этих "траншеях" под воздействием света лазера накачки, выступают в роли усилителей, наличие которых позволяет увеличить эффективность.

"Резонансные частоты решетки должны быть согласованы с длиной волны сета, излучаемого лазером накачки" - рассказывает Эндрю Ви (Andrew Wee), профессор из Национального университета Сингапура, - "Резонанс обеспечиваем максимальное "сцепление" света лазера с плазмонами и так достигается очень высокое значение показателей эффективности".

В своих дальнейших исследованиях ученые будут заниматься определением того, как золотые плазмонные наноструктуры могут поднять эффективность электролюминесценции других материалов-дихалькогенидов, каждый из которых имеет свое значение ширины запрещенной зоны. И если ученым удастся подобрать комбинацию из недорогого двухмерного материала и материала для плазмонных наноструктур, то это может привести к появлению новых высокоэффективных источников света, к разработке новых высококачественных светодиодных матриц для дисплеев, которым для работы будет требоваться совсем небольшое количество энергии.

Источник