За последние десятилетия поменялись несколько концепций теплозащитных экранов, причем каждая последующая пыталась устранить проблемы, обнаруженные у предыдущей. Так, например, у первых космических кораблей защита была абляционной, то есть она выгорала в атмосфере. Её главными недостатками являлись дороговизна и большая масса - в общей сложности более тонны. Кроме того, она была одноразовой, так как испарялась в воздушной оболочке планеты. Американские шаттлы перешли на керамическую плитку - она хорошо держала нагрев, была легкой и могла использоваться многократно. Недостатки, впрочем, имелись и у нее. На внешнюю сторону челнока нужно было приклеить тысячи отдельных элементов, каждый из которых впоследствии мог оторваться сам по себе. Кроме того, плитки были не очень прочными. В 2003 году попадание в них куска теплоизоляции кислородного бака привело к гибели шаттла «Колумбия» вместе со всем экипажем.
Люди летают в космос несмотря на случающиеся неудачи, поэтому поиск оптимального материала для теплозащитных экранов продолжается. Не так давно в порыве вдохновения инженеры обратили внимание на каракатиц. Эти головоногие являются родственниками осьминогов и кальмаров. У них мягкое тело, нет костей в их привычном понимании, зато туловище «укреплено» с помощью раковины, обладающей замечательными свойствами. Она образуется из арагонита - кристаллизованной формы карбоната кальция. Внутри этого материала имеются «карманы», улавливающие газ, преимущественно азот. Каракатицы также могут закачивать в них воду, и именно это позволяет им управлять своей плавучестью. Меняя баланс жидкости и газа внутри раковины, головоногие погружаются на глубину или, наоборот, всплывают.
Ученые исследовали внутреннюю микроструктуру раковины, пытаясь понять, благодаря чему она является прочной и пористой одновременно. В 2020 году была создана трехмерная модель, в результате чего наглядно проявилась уникальная природная конструкция материала. Его основой служат отдельные камеры с множеством перегородок. Опорой им являются вертикальные стенки, схожие по своему строению с теми, которые знакомы нам по птичьим костям - только они не прямые, как у пернатых, а волнистые. Не вдаваясь в подробности, скажем, что это позволяет раковине лучше рассеивать энергию, например, при укусе хищника. Наносящийся ущерб при этом минимизируется, а структурная целостность сохраняется.
При этом нельзя не отметить идеальную композицию волнистого градиента раковины каракатицы. Создав трехмерную модель, исследователи провели множество компьютерных симуляций, выяснив в результате ещё несколько интересных фактов. При увеличении изогнутости структуры раковина становилась менее жесткой, а при её уменьшении - более хрупкой. Все это позволило сделать вывод, что эволюция одним ей известным способом получила «продукт», который идеально сочетает в себе небольшой вес, прочность и устойчивость к внешним воздействиям. Чем не фундамент для разработки теплозащитного экрана?
Инженеры считают, что полученную информацию можно будет использовать при создании защитного покрытия спускаемых аппаратов, например, из керамической пены. Она пористая, очень жесткая, выдерживает огромную температуру и химически стабильна, но её редко применяют из-за относительной хрупкости. Однако придание ей микроструктуры, подсмотренной в раковинах каракатиц, может решить эту проблему. Имея на руках трехмерную модель, которая, как мы помним, уже создана в ходе соответствующих исследований, основу для перспективных теплозащитных экранов можно распечатать с помощью 3D-принтера.
