Môi trường bên ngoài không gian rất khắc nghiệt và mang hoàn toàn bức xạ cực mạnh. Các nhà thiết kế tàu vũ trụ và vệ tinh cần những vật liệu có thể chịu được trong điều kiện này. Trong một bài báo xuất bản tháng 1 năm 2024 trên tạp chí Nature Communications, một nhóm các nhà khoa học đã chứng minh rằng vật liệu bán dẫn thế hệ tiếp theo có tên là kim loại perovskite halogen thực sự có thể tự phục hồi và tự chữa lành sau khi chịu tác động từ bức xạ.
Kim loại Perovskite halogen là vật liệu được phát hiện vào năm 1839, tìm thấy rất nhiều trong lớp vỏ Trái đất. Chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành điện năng rất hiệu quả. Điều này đã biến Perovskite halogen trở thành kim loại phù hợp hàng đầu cho các tấm pin mặt trời trên không gian, có thể cung cấp năng lượng cho vệ tinh hoặc môi trường sống trong không gian. Các nhà nghiên cứu tạo ra perovskite dưới dạng mực, sau đó phủ mực lên các tấm thủy tinh hoặc nhựa, tạo ra các thiết bị mỏng giống như màng, nhẹ và linh hoạt.
Điều đáng ngạc nhiên là những pin mặt trời sử dụng màng mỏng này hoạt động tốt như pin mặt trời silicon thông thường, mặc dù chúng mỏng hơn gần 100 lần so với pin mặt trời truyền thống. Tuy nhiên, lớp màng này có thể bị phân hủy nếu chúng tiếp xúc với độ ẩm cao hoặc oxy. Các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp hiện đang nỗ lực giải quyết những lo ngại về độ ổn định này khi triển khai trong mội trường Trái đất.
Để kiểm tra xem chúng có thể trụ vững như thế nào trong không gian, các nhà khoa học đã phát triển một thí nghiệm về bức xạ. Họ cho pin mặt trời perovskite tiếp xúc với proton ở cả năng lượng thấp và năng lượng cao và tìm ra một đặc tính mới, độc đáo. Các proton năng lượng cao sẽ chữa lành những tổn thương do các proton năng lượng thấp gây ra, cho phép thiết bị phục hồi và tiếp tục thực hiện chức năng. Các chất bán dẫn thông thường được sử dụng cho thiết bị điện tử vũ trụ không thể hiện được khả năng chữa lành này. Các nhà khoa học cũng rất ngạc nhiên trước phát hiện này: làm thế nào một loại vật liệu bị phân hủy khi tiếp xúc với oxy và độ ẩm không chỉ chống lại bức xạ khắc nghiệt của không gian mà còn có thể tự phục hồi trong môi trường phá hủy chất bán dẫn silicon thông thường.
Các nhà khoa học dự đoán rằng trong 10 năm tới, số lượng vệ tinh phóng vào quỹ đạo gần Trái đất sẽ tăng theo cấp số nhân và các cơ quan không gian như NASA đặt mục tiêu thiết lập căn cứ trên mặt trăng. Những vật liệu có thể chịu được bức xạ cực mạnh và có khả năng tự phục hồi sẽ thay đổi cuộc chơi này. Các nhà khoa học ước tính rằng việc triển khai chỉ vài pound vật liệu perovskite vào không gian có thể tạo ra năng lượng lên tới 10.000.000 watt. Hiện tại, chi phí phóng tàu vũ trụ vào không gian là khoảng 4.000 USD/kg (1.818 USD/lb), vì vậy vật liệu có sức bền với bức xạ vũ trụ là rất quan trọng.
Việc chiếu xạ proton được thực hiện tại Phòng thí nghiệm chùm tia ion (IBL) của Đại học Bắc Texas (UNT). Các chùm proton 0,06 MeV được lấy từ cực âm TiH với nguồn ion âm bằng phương pháp phún xạ Caesium (SNICS-II, NEC) kết hợp với máy gia tốc song song 3 MV (NEC 9SDH-2). Các chùm proton phân tích động lượng được quét raster tĩnh điện trên các mẫu để chiếu xạ đồng đều trong cơ sở chiếu xạ năng lượng thấp trước khi đưa vào máy gia tốc song song. Dòng proton được giữ ở mức tương tự mà không gây ra sự biến đổi về không gian hoặc làm nóng các vật liệu mục tiêu.
Sơ đồ biểu diễn các perovskite với các chiều khác nhau (3D, 2D, 1D và 0D) và các ứng dụng khác nhau bởi các thành phần quang điện tử dựa trên perovskite
Thiết kế của các thí nghiệm chiếu xạ proton liều kép cho phép điều chỉnh các tương tác bức xạ-vật chất trong các thiết bị. Tăng mức tiêu hao năng lượng ion hóa (IEL) của các proton tới một cách có kiểm soát và tìm ra bằng chứng trực tiếp về khả năng chữa lành thông qua quá trình ion hóa điện tử. Các khiếm khuyết do các proton năng lượng thấp gây hại (0,06 MeV) gây ra sẽ được chữa lành một phần khi thiết bị được chiếu xạ bằng liều lượng tối ưu của các proton năng lượng cao hơn (1,0 MeV). Điều này làm tăng hệ số chuyển đổi năng lượng bị suy giảm còn lại từ 0,74 lên 0,83 đối với thiết bị phát proton và 0,73 lên 0,85 đối với thiết bị PIN. Những thí nghiệm này củng cố sự hiểu biết ngày càng tăng rằng tương tác bức xạ-vật chất trong pin mặt trời perovskite rất khác so với trong không gian thông thường và chiếu xạ liều kép như nền tảng để điều chỉnh và chữa lành mật độ khuyết tật trong màng mỏng perovskite.
Những phát hiện đó làm sáng tỏ khía cạnh đáng chú ý của perovskites là khả năng chịu hư hại và khuyết tật của chúng. Tinh thể Perovskite là một loại vật liệu mềm, có nghĩa là các nguyên tử của chúng có thể chuyển động sang các trạng thái khác nhau mà các nhà khoa học gọi là chế độ rung động. Các nguyên tử trong perovskite thường được sắp xếp theo dạng mạng tinh thể. Khi bức xạ đẩy các nguyên tử ra khỏi vị trí, làm hỏng vật liệu, những rung động này có thể giúp định vị lại các nguyên tử về vị trí cũ.
Từ khóa: Perovskite halogen; bức xạ;
– CMD&DND –
