太空辐射会损坏卫星下一代材料在暴露于宇宙射线时可以自我修复

太空环境恶劣，充满极端辐射。设计航天器和卫星的科学家需要能够承受这些条件的材料。

在2024年1月发表在《自然通讯》上的一篇论文中，我的材料研究团队证明，一种名为金属卤化物钙钛矿的下一代半导体材料实际上可以从辐射损伤中恢复并自我修复。

金属卤化物钙钛矿是1839年发现的一类材料，在地壳中含量丰富。它们吸收阳光并高效地将其转化为电能，因此非常适合用于太空太阳能电池板，为卫星或未来的太空栖息地提供电力。

研究人员将钙钛矿制成墨水，然后将墨水涂在玻璃板或塑料上，从而制成轻巧而灵活的薄膜状装置。

令人惊讶的是，这些薄膜太阳能电池在实验室演示中的表现与传统的硅太阳能电池一样好，尽管它们比传统太阳能电池薄近100倍。

但这些薄膜如果暴露在湿气或氧气中，其性能就会下降。研究人员和业界目前正在努力解决陆地部署的稳定性问题。

宇宙射线在太空中移动，过度暴露可能会损坏卫星和航天器。

为了测试它们在太空中的表现，我的团队开展了一项辐射实验。我们将钙钛矿太阳能电池暴露在低能和高能的质子中，发现了一种独特的新特性。

高能质子修复了低能质子造成的损伤，使设备恢复正常并继续工作。而用于太空电子设备的传统半导体则不具备这种修复能力。

我的团队对这一发现感到惊讶。一种在暴露于氧气和水分时会降解的材料如何不仅能抵抗太空的强烈辐射，而且还能在破坏传统硅半导体的环境中自我修复?

在我们的论文中，我们开始解开这个谜团。

为什么重要

科学家预测，未来10年，发射至近地轨道的卫星数量将呈指数级增长，而美国宇航局等太空机构则计划在月球上建立基地。

能够耐受极端辐射并自我修复的材料将会改变局面。

研究人员估计，只需将几磅钙钛矿材料发射到太空，就能产生高达10,000,000瓦的电力。目前将材料发射到太空的成本约为每公斤4,000美元(每磅1,818美元)，因此高效的材料非常重要。

尚不清楚的事情

我们的发现揭示了钙钛矿的一个显著特点——它们对损伤和缺陷的耐受性。钙钛矿晶体是一种软材料，这意味着它们的原子可以进入不同的状态，科学家称之为振动模式。

钙钛矿中的原子通常以晶格形式排列。但辐射会使原子移位，从而损坏材料。振动可能有助于将原子重新定位到位，但我们仍不确定这个过程的具体工作原理。

下一步是什么?

我们的研究结果表明，软材料在包括太空在内的极端环境中可能具有独特的作用。

但辐射并不是材料在太空中要经受的唯一压力。科学家们还不知道钙钛矿在同时暴露于真空条件、极端温度变化和辐射时会如何表现。温度可能在我的团队观察到的愈合行为中发挥作用，但我们需要进行更多研究来确定其作用机制。

这些结果告诉我们，软材料可以帮助科学家开发在极端环境下也能正常工作的技术。未来的研究可以更深入地探究这些材料中的振动与任何自愈特性之间的关系。