На орбиту будут отправлены как минимум два небольших деревянных спутника. За одним из них стоят финны с партнерами из компаний WISA Woodsat и Arctic Astronautics Oy. Другой спутник строят Киотский университет и компания Sumitomo Forestry Co. Даже если японцы выиграют гонку, сам факт использования древесины  все равно будет признаком того, что в ней есть что-то особенное, что делает ее привлекательным материалом для строительства спутников. Исследования в этом направлении проводятся и в ряде других стран в тесном сотрудничестве частного и государственного секторов, и на исследования тратятся большие суммы.

"Дерево — это природный материал, и мы можем значительно улучшить его с помощью нанотехнологий. — говорит материаловед из Тартуского университета Майдо Мерисалу. — С нанопокрытием мы можем сохранить хорошие характеристики и добавить другие свойства, например, сделать его влагостойким и огнеупорным".

По словам Майдо Мерисалу, при рассмотрении возможных космических применений древесина имеет ряд преимуществ. "Дерево — дешевый материал, который легко обрабатывать и формировать для изготовления спутниковых компонентов", — отмечает материаловед. Фанера, пожалуй, подходит для этого лучше всего, потому что по сути это композиционный материал, в котором тонкие слои древесины соединены между собой органическим связующим.

Помимо стоимости производства деталей спутника, необходимо учитывать и цену вывода на орбиту, которая напрямую зависит от массы. В этом отношении древесина более чем в пять раз легче алюминиевых сплавов.

"Таким образом, древесина представляется достаточно привлекательным материалом с точки зрения цены — ее дешевле производить и отправлять на орбиту. Однако использовать этот природный материал в космосе не совсем просто", — отмечает Мерисалу.

Нанотехнологии приходят на помощь

Древесина прямо с лесопилки не может быть использована в космосе, так как она имеет ряд недостатков. "Прежде всего, она пористая, и из-за этого в космическом вакууме из нее улетучиваются различные соединения, в том числе пары воды и ряд органических соединений", — говорит Майдо Мерисалу. Это, в свою очередь, вызывает механические дефекты, напряжения и деформации деревянных деталей в условиях вакуума, которые могут серьезно повредить весь спутник.

Также соединения, выходящие из древесины, могут попадать на другие поверхности спутника, такие как объектив камеры и солнечные панели, и тем самым нарушать их работу.

Нельзя забывать, что дерево во многом является углеродным материалом, крайне чувствительным к низкоорбитальному атомарному кислороду: оно начинает быстро подвергаться коррозии. В результате образуются в основном водяной пар и окись углерода (СО), которые покидают поверхность и уходят в космос. Это приводит к разрушению материала.

Чтобы решить эти проблемы, WISA попросила разработчика Woodsat, Arctic Astronautics Oy, покрыть боковые панели спутника ультратонким слоем керамического оксида алюминия методом атомно-слоевого осаждения.

Предыдущие исследования Майдо Мерисалу и его коллег показали, что воздействие низкоорбитального атомарного кислорода изменяет только очень тонкий верхний слой керамического покрытия. Измерения показали, что речь идет всего о десяти нанометрах, что сравнимо примерно с четырьмя молекулами ДНК. Таким образом, покрытия толщиной всего в несколько десятков нанометров достаточно для защиты углеродных материалов в космосе в течение длительного времени.

Покрытие из керамического оксида алюминия имеет еще одну полезную особенность. Оно образует диффузионный барьер, препятствующий проникновению газов внутрь и выходу их из древесины. Это помогает предотвратить проблемы, связанные с механическими напряжениями и деформациями в космическом вакууме, а также с загрязнением других поверхностей.

В дополнение к шести деревянным боковым панелям спутник WISA Woodsat имеет более 50 прецизионных деталей из алюминиевого сплава, напечатанных на 3D-принтере. Для защиты на них нанесли покрытие, запатентованное Тартуским университетом. Оно производилось в два этапа. Сначала ученые применили анодирование, чтобы превратить тонкий поверхностный слой деталей в пористый оксид алюминия. На втором этапе они использовали осаждение атомарного слоя, чтобы заполнить поры керамическим материалом.

В результате исследователи получили плотное керамическое покрытие толщиной менее пяти микрометров. При этом размеры деталей существенно не изменились. "Хороших альтернатив наноструктурированному защитному покрытию, разработанному в Эстонии, в мире фактически нет. Немногие методы позволяют покрыть детали сложной трехмерной формы равномерным тонким слоем с хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью", — сказал Майдо Мерисалу.

Помимо функциональных покрытий, спутник оснащен несколькими датчиками коррозии эстонского производства. Последние основаны на графене и были разработаны в Captain Corrosion OÜ, расположенном в Тартуском научном парке. Они используются для изучения того, как быстро атомарный кислород разъедает углеродные материалы, которые находятся снаружи спутника и должны противостоять прямым потокам атомарного кислорода. Другие датчики расположены внутри, где условия могут быть менее суровыми.

"Самым захватывающим устройством, в том числе и с точки зрения привлечения внимания публики, является селфи-палка, прикрепленная к спутнику. Мы можем видеть, что происходит с материалом. Визуально это похоже на то, что весной становится с желто-коричневыми сугробами", — говорит руководитель проекта WISA Woodsat Яри Мякинен.

Высокотехнологичная радиационная защита

Не исключено, что дерево также окажется хорошим материалом для защиты электроники спутника от разрушительного воздействия ионизирующего космического излучения. Оно состоит из высокоэнергетических заряженных частиц, таких как электроны, протоны, ядра гелия, и коротковолнового электромагнитного излучения, т. е. ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.

Именно высокоэнергетические заряженные частицы вызывают вторичное высокоэнергетическое электромагнитное излучение при попадании на корпус спутника. Однако энергия и интенсивность вторичного излучения напрямую зависят от материала корпуса спутника. Чем ниже средний атомный номер элементов материала корпуса, тем слабее вторичное излучение.

"Именно здесь проявляется большое преимущество дерева перед алюминием и другими более тяжелыми материалами", — поясняет Майдо Мерисалу. Древесина в основном состоит из лигнина и целлюлозы, для построения которых растения используют углерод, кислород и водород. Элементы имеют значительно более низкий атомный номер, чем алюминий. Таким образом, древесина должна обеспечивать хорошую защиту электронных компонентов от вторичного излучения и, таким образом, продлевать срок службы спутников.

По словам Яри Мякинена, у дерева есть еще одно преимущество. "Использование дерева в коммуникационных и исследовательских спутниках было бы явно выгодным, потому что, например, алюминий мешает измерению магнитного поля. А дерево — нейтральный материал", — сказал руководитель проекта.

Прекрасная возможность для Эстонии

По словам Майдо Мерисалу, изучение древесины не только увлекательно для эстонских материаловедов, но и расширяет кругозор студентов. "Применяя свои знания они смогут создавать умные материалы как для наземных, так и для космических приложений в будущем. Например, обработка древесины с использованием нанотехнологий — это классическая эксплуатация ресурсов, когда относительно дешевый материал получает высокую добавленную стоимость с помощью высокотехнологичного решения", — объясняет ученый.

Исследования самих функциональных покрытий откроют возможности для улучшения многих других материалов и сделают их пригодными для использования в космосе в будущем.

Таким образом, выбор материалов для применения в космосе уже не будет таким ограниченным, как сегодня. "Европейское космическое агентство также думает о переработанной древесине для строительства лунных станций и внутренних стенок марсианских кораблей, чтобы защитить астронавтов от вредного излучения", — говорит Яри Мякинен. 

Мерисалу подчеркнул, что изучение таких функциональных материалов является одной из областей, в которых эстонские исследователи уже сейчас могут добиться успеха в мире. Помимо него самого, в закладке фундамента помогают почетный профессор Вяйно Саммельсельг, профессор материаловедения Каупо Кукли и студентка Кайса Ааб.