Потеряла всего 0,2% массы: в России испытали керамику для спуска на Марс

Российские ученые испытали керамический материал, который может защитить спускаемые аппараты от нагрева в атмосфере Марса. Образцы подвергли воздействию горячего потока углекислого газа. За время, сопоставимое с продолжительностью спуска, они потеряли 0,2% массы. Температура поверхности не превысила 1450 °C. Пока эти результаты относятся только к условиям эксперимента: чтобы оценить возможности материала, нужны испытания при более высоких тепловых нагрузках и давлениях.

Материал создали и проверили сотрудники трех институтов РАН: Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова, Института проблем механики имени А.Ю. Ишлинского и Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова. Результаты опубликованы в десятом номере «Журнала неорганической химии» за 2026 год.

Атмосфера Марса примерно на 95% состоит из углекислого газа и приблизительно в 80 раз менее плотная, чем земная. Но аппарат входит в нее на высокой скорости, поэтому его поверхность сильно нагревается. Кроме того, молекулы углекислого газа распадаются на угарный газ и атомарный кислород. Такой кислород легко вступает в химические реакции и разрушает материал теплозащиты.

Для этих условий исследователи рассматривают ультравысокотемпературные керамики — материалы, которые способны выдерживать нагрев выше 2000 °C. Они сочетают высокую теплопроводность, стабильность и стойкость к окислению. Однако свойства конкретного состава нужно проверять в среде, близкой к той, с которой столкнется аппарат.

Основой нового композита стал диборид циркония — тугоплавкое соединение циркония и бора. В состав ввели 30 объемных процентов карбида кремния, чтобы повысить стойкость к окислению. Затем его модифицировали 10 объемными процентами графита — одной из форм углерода. Графит добавили, чтобы улучшить некоторые механические свойства. Образцы получили методом горячего прессования: материал нагрели до 1800 °C под давлением 30 МПа.

Для испытаний образцы закрепили в медной модели, которую охлаждала вода, и поместили в барокамеру. Давление внутри составляло около 10 кПа — примерно одну десятую земного атмосферного давления. Специальная установка, плазмотрон, создавала высокотемпературную струю плазмы из углекислого газа. В таком потоке присутствуют продукты распада молекул и заряженные частицы. Во время эксперимента исследователи ступенчато повышали мощность установки.

Даже при максимальной мощности поверхность образцов нагрелась не выше 1450 °C. Ученые связывают небольшую потерю массы с этой относительно невысокой температурой. Скорость абляции — уноса материала газовым потоком — составила 3,1 × 10⁻⁴ грамма с квадратного сантиметра в минуту.

Слой окислов на поверхности за время тестов стал лишь немного толще. Его основным кристаллическим компонентом оказался моноклинный диоксид циркония. Исследователи также обнаружили следы тетрагонального диоксида кремния. Слова «моноклинный» и «тетрагональный» описывают строение кристаллов этих соединений.

По микроструктуре поверхность образцов напоминала поверхность той же керамики после окисления в неподвижном воздухе при температуре ниже 1750–1800 °C. Несмотря на высокое содержание графита, исследователи не нашли дефектов, которые могли бы возникнуть, если бы он выгорел. Авторы предполагают, что материал защитил боросиликатный расплав — стекловидная масса, которая образовалась на поверхности.

По результатам эксперимента ученые считают композит кандидатом для защиты участков спускаемого аппарата, которые сильнее всего нагреваются в марсианской атмосфере. Но испытания пока не показывают, как он поведет себя при более интенсивном тепловом потоке и повышенном давлении. Исследователи планируют продолжить систематические проверки.

Работу финансово поддержало Минобрнауки России.