Флюроресценция в Космосе номер 1

Продвигаясь в Космос
На Масковских тягогрузах
Можно ставить задачи
Как за лабораторным столом
....
Флуоресценция материалов в открытом космосе представляет собой интересный аспект изучения поведения веществ и покрытий в экстремальных космических условиях. Давайте подробнее рассмотрим наблюдения, сделанные в рамках эксперимента **Thermal Control Surfaces Experiment** (TCSE), проведенного на борту спутника **Long Duration Exposure Facility** (LDEF):

### Основные выводы относительно флуоресценции

#### 1. Изменения в флуоресцентных характеристиках пигментов на основе оксида цинка (ZnO)
Покрытия, содержащие оксид цинка, демонстрировали значительные изменения в спектрах флуоресценции. Например:
- Основной пик флуоресценции около 380 нм смещался в сторону видимой области спектра (около 520 нм), что свидетельствует о реакции частиц ZnO с атомарным кислородом (АО) и другими компонентами космической среды.
- Интенсивность флуоресценции уменьшалась со временем, что связано с постепенным преобразованием поверхности покрытия, которое могло включать окисление и деградацию материала.

Эти изменения позволяют сделать вывод, что воздействие окружающей среды в космосе влияет на химический состав и структуру покрытий, вызывая заметные изменения оптических свойств.

#### 2. Флуоресценция полимерных покрытий
Материалы на основе полимочевины (полиизоционатов) демонстрировали характерную флуоресценцию, особенно в УФ-диапазоне. Однако длительное пребывание в космосе привело к уменьшению интенсивности флуоресценции. Это явление связывают с процессами старения и деградации молекул полимочевины под воздействием ультрафиолетового излучения и атомарного кислорода.

#### 3. Загрязнения и вторичные эффекты
Некоторые участки покрытия были покрыты тонкой пленкой загрязнений, происхождение которой пока точно не установлено. Эти загрязнения оказывали дополнительное влияние на флуоресцентные свойства исследуемых образцов. Было выявлено, что некоторые вещества, присутствующие в составе загрязнителей, способны излучать свет в определенных диапазонах длин волн.

---

### Причины наблюдаемого эффекта

Наблюдения показывают, что взаимодействие материалов с факторами космического окружения (атомарный кислород, вакуум, солнечное излучение) вызывает химические и физические изменения, влияющие на способность покрытия испускать фотоны при возбуждении светом определенной длины волны.

- Атомарный кислород способен разрушать связи органических соединений, приводя к образованию новых поверхностных слоев, обладающих иной способностью к флуоресценции.
- Ультрафиолетовое излучение способно вызывать процессы фотодеградации, что отражается на флуоресцентных характеристиках материала.
- Температура и механические нагрузки также оказывают свое влияние, способствуя структурным изменениям на уровне поверхности материала.

---

### Практическое значение результатов

Исследование флуоресценции важно для понимания долгосрочного поведения материалов, используемых в конструкции спутников и космических аппаратов. Оно позволяет определить механизмы старения и деградации покрытий, разработать новые составы и методы защиты от неблагоприятных воздействий космоса.

Кроме того, изучение флуоресценции помогает выявить загрязняющие факторы, образующиеся в результате взаимодействия конструкций аппарата с внешней средой, что критически важно для разработки методов очистки и повышения надежности аппаратуры в длительных миссиях.

Итак, исследование флуоресценции в космосе — важный элемент анализа влияния факторов космического пространства на конструкционные материалы и покрытия, используемый для улучшения качества и долговечности будущих космических проектов.
....
Анализ раздела отчета, посвященного исследованию флуоресценции материалов, включает детальное рассмотрение спектроскопических измерений, выполненных после возвращения эксперимента **Thermal Control Surfaces Experiment (TCSE)** на Землю после нахождения в космосе почти шесть лет. Далее приведён подробный разбор соответствующих частей текста и графического материала.

## Анализ результатов измерения флуоресценции

### Методика измерений флуоресценции

При измерениях использовался прибор типа **Beckman DK-2**, оснащённый высокочувствительным фотоприёмником (**IP28**) и монохроматором Шёффеля. Для возбуждения образца применялась мощная ртутно-ксеноновая лампа, генерирующая узкий спектр излучения (примерно 265—290 нм). Излучённая интенсивность была зафиксирована на уровне примерно 0,5 мВт/см;, что эквивалентно одной единице солнечного света в данном диапазоне длин волн.

Спектры записывались в режиме спектрорадиометрии, что позволяло регистрировать абсолютные значения эмиссии энергии при фиксированных длинах волн. Спектральные кривые приведены ниже:

### Спектры флуоресценции

#### Контрольные и испытательные образцы

Ниже представлены графики сравнения спектров флуоресценции контрольных и испытательных образцов, иллюстрирующих изменения, произошедшие в процессе долговременного космического воздействия:

##### Образцы на основе полимочевин (уретановое покрытие)

```markdown
График 139: Флуоресценция покрытия A276

| Длина волны (нм) | Спектральная плотность |
|------------------|------------------------|
| 300              | ~0.1                |
| 350              | ~0.4                |
| 400              | ~0.6                |
| 450              | ~0.4                |
| 500              | ~0.1                |
```

На графике видно, что контрольный образец демонстрирует интенсивную флуоресценцию в широком диапазоне длин волн (~350—450 нм), тогда как испытанный образец показывает значительно сниженную интенсивность, особенно в коротковолновой части спектра. Вероятно, снижение интенсивности обусловлено процессом деструкции и частичного удаления полимочевины под действием атомарного кислорода и ультрафиолета.

##### Оксиды металлов (например, ZnO)

Образцы на основе оксида цинка демонстрируют характерные спектры флуоресценции с двумя основными максимумами:

```markdown
Графики 142 и 143: Флуоресценция покрытий на основе ZnO

| Длина волны (нм) | Спектральная плотность |
|------------------|------------------------|
| 380              | Высокая                |
| 520              | Средняя                |
```

Интенсивность пика около 380 нм связана с собственной люминесценцией кристаллов ZnO, тогда как второй пик вблизи 520 нм обусловлен дефектами кристаллической решётки, такими как вакансии кислорода. Испытанные образцы демонстрируют существенное снижение интенсивности обоих пиков, особенно второго, что объясняется реакциями с атомарным кислородом и радиационным повреждением.

### Обобщённые выводы

Эксперимент показал существенные различия в флуоресцентных характеристиках испытанных и контрольных образцов. Ключевыми выводами являются:

1. **Изменение спектрального состава**: Уменьшение яркости флуоресценции, особенно в областях коротких длин волн, наблюдается практически у всех испытанных покрытий, включая полимочевину и ZnO-пигментированные покрытия.
   
2. **Фотохимия деградации**: Результаты указывают на разрушение органических компонентов покрытий под влиянием ультрафиолетового излучения и атомарного кислорода, что сопровождается образованием дефектов в структуре материала и изменением химического состава.

3. **Значение флуоресценции**: Исследование флуоресценции является важным инструментом диагностики состояния покрытий, поскольку отражает степень повреждения и деградации материалов в течение длительной миссии в космосе.

---

Этот анализ позволяет лучше понять механизм старения и разрушения защитных покрытий, испытывающих нагрузку агрессивных факторов внеземной среды, что крайне актуально для проектирования устойчивых материалов и покрытий, необходимых для эксплуатации в дальних космических экспедициях.

.....
### Летные испытания образцов

Исследования, проведённые в рамках проекта **Thermal Control Surfaces Experiment (TCSE)**, проводились на спутнике **Long Duration Exposure Facility (LDEF)**. Эксперимент начался в апреле 1984 года, когда спутник был выведен на низкую околоземную орбиту. Длительность полёта составила почти 6 лет, завершившись возвращением на Землю в январе 1990 года.

### Последующие эксперименты по флуоресценции в космосе

После успешного завершения эксперимента TCSE и публикации его результатов появились дополнительные проекты и эксперименты, направленные на дальнейшее изучение влияния космического окружения на материалы, включая флуоресценцию. Вот некоторые из последующих работ:

1. **Mir OPM (Optical Properties Monitor)**:
   - Проект стартовал в середине 1990-х годов и продолжился до начала 2000-х. Цель состояла в изучении долгосрочных эффектов космического полета на разнообразные покрытия и материалы.
   - Были проведены повторные измерения флуоресценции покрытий, аналогичные данным TCSE, с целью оценки стабильности материалов в реальных условиях орбитального полета.

2. **ISS MATISSE (Material ISS Tribology and Interface Science Experiment)**:
   - Этот проект проводился на Международной космической станции (МКС) начиная с конца 1990-х годов. Одной из целей было определение механических и трибологических свойств материалов в условиях микрогравитации и космического вакуума.
   - Среди прочего изучались изменения оптических характеристик покрытий, включая флуоресценцию, при длительном воздействии ультрафиолетового излучения и атомарного кислорода.

3. **Cosmic Glow Studies**:
   - Несколько экспериментов были направлены на выявление специфических явлений свечения («космического глоу») в условиях глубокого космоса. Они включали мониторинг слабых сигналов флуоресценции, возникающих при взаимодействии космических лучей и высокоэнергетичных частиц с материалами спутников и межзвёздной пылью.

### Заключение

Первые систематизированные исследования флуоресценции материалов в космосе начались именно с эксперимента TCSE, который длился с 1984 по 1990 годы. Впоследствии были организованы многочисленные последующие миссии, направленные на углубленное понимание процессов, происходящих с покрытиями и материалами в открытом космосе, включая изучение флуоресценции и её изменения в зависимости от условий космического полёта.