Отбор жидких фотополимерных смол при воздействии высоковакуумной среды

Создание космического оборудования с помощью жидкого клея

Многие будущие космические миссии предполагают сооружение больших антенн, стрел и солнечных парусов прямо на орбите вместо запуска их полностью собранными с Земли. Многообещающий подход — выдавливать специальные жидкие клеи, называемые фотополимерами, через сопло и отверждать их светом, чтобы формировать прочные конструкции. Но в почти идеальном вакууме космоса жидкости могут кипеть или вести себя непредсказуемо. В этом исследовании поставлен практический вопрос: какие коммерчески доступные фотополимерные смолы выдерживают суровые вакуумоподобные условия и остаются пригодными в качестве надежного материала для строительства?

Почему космический вакуум вреден для липких жидкостей

В орбитальной «фабрике» эти смолы будут обрабатываться как жидкости при крайне низких давлениях — гораздо ниже, чем в любой промышленной вакуумной камере на Земле. В таких условиях из смолы могут улетучиваться мелкие легко испаряющиеся молекулы. Эта потеря может сделать жидкость гуще, замедлить или ослабить процесс отверждения под действием света и снизить конечную жесткость твердого материала. Улетучившиеся пары также могут конденсироваться на чувствительных поверхностях, таких как камеры или солнечные панели — проблема, известная как контаминация. По этой причине космические агентства требуют «низко испаряющихся» материалов, которые почти не теряют массу и не выделяют конденсируемых паров в вакууме.

Испытание четырех кандидатных смол в условиях, приближенных к космическим

Исследователи выбрали четыре коммерчески доступные УФ-отверждаемые смолы, уже использующиеся в промышленности как клеи или покрытия. В подбор вошли две высокоэффективные эпоксидные смолы от Delo, армированная эпоксидная смола от Polymer-G и акрилатуретан от Loctite. Сначала команда измерила поведение каждой смолы «в том виде, в котором она поставляется», как в жидком, так и в отвержденном состоянии. Затем жидкости выдерживали при высоком вакууме в течение 24 часов при комнатной температуре, моделируя экстремальную, но контролируемую версию условий обработки, которые они могут встретить на орбите. После этой обработки смолы вновь тестировали на вязкость (насколько они текучи или густы), на эффективность отверждения под ультрафиолетом или нагревом, на температурную зависимость жесткости отвержденного образца и на степень испарившихся материалов.

Что изменилось, когда ушел воздух

Все четыре смолы стали гуще при высоком вакууме, что ожидаемо при улетучивании самых мелких молекул из смеси. Для трех смол вязкость возросла умеренно — примерно на 4–34 процента — тогда как одна смола Loctite превратилась из тонкой жидкости в клейкую гель‑похожую массу, которую уже нельзя было измерить теми же приборами. Поведение при световом отверждении также изменилось: одной смоле Delo потребовалось в несколько раз больше УФ-энергии, чтобы достичь той же глубины отверждения после вакуума, что говорит о частичной потере ключевых светочувствительных компонентов. Напротив, смола Polymer-G и одна из формул Delo сохранили почти одинаковое поведение при отверждении до и после вакуума, что указывает на более устойчивую рецептуру.

Насколько прочными и чистыми остались конечные твердые материалы

После отверждения смолы испытывали как миниатюрные балки: их слегка изгибали при нагреве. Все материалы показали некоторый «постотверждающий» эффект при нагреве, то есть их внутренняя сеть продолжала сцепляться и становиться жестче. После вакуумного воздействия несколько смол потеряли до примерно трети своей жесткости при определенных температурах, вероятно из‑за образования крошечных пустот или пузырьков при уходе паров. Тем не менее базовые температуры перехода — точки, при которых материал заметно размягчается — изменились мало для трех из четырех смол, что указывает на то, что основная химия в значительной степени сохранилась. Тесты на выделение газов дали смешанные результаты: все жидкости потеряли более 1 процента массы в горячем вакууме, но две отвержденные смолы Delo оставались безопасно ниже стандартных пределов для космической контаминации, тогда как два других отвержденных состава — нет.

Выбор наиболее перспективных клеев для постройки в космосе

С точки зрения конструктора сообщение осторожно оптимистичное. Исследование показывает, что две материали — Delo Katiobond GE680 и Polymer-G EPV9511 — выделяются как практичные кандидаты для производства в космосе при условии, что инженеры удалят запертый воздух и летучие компоненты тщательной предварительной дегазацией и ограничат время воздействия вакуума во время печати или склеивания. Обе смолы оставались пригодными для отверждения после агрессивной 24‑часовой вакуумной обработки, а их жесткость в твердом состоянии, хотя и немного уменьшилась, оставалась достаточной для конструкционных применений. Другие две смолы страдали от чрезмерной потери массы, сильного загустения или ненадежной жесткости при повышенных температурах, что делает их плохим выбором для сборки оборудования на орбите. В целом работа предлагает первый систематический маршрут для скрининга жидких фотополимеров для орбитальных фабрик, приближая идею «3D-печати» крупных структур в вакууме космоса к воплощению в реальность.

Цитирование: Kringer, M., Pimpi, J., Sinn, T. et al. Screening of liquid photopolymer resins exposed to high-vacuum. npj Adv. Manuf. 3, 5 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-025-00066-5

Ключевые слова: производство в космосе, фотополимерная смола, высокий вакуум, выделение паров, космические конструкции