"Нонотехнологии в космосе"

                   Областной конкурс творческих работ школьников

«Космос и человек»

                               Проект в номинации

   «Космонавтика и космические проекты» на тему:

                «Нанотехнологии в космосе»

Выполнила:   Быкова   Анна, 15  лет

Ученица  10  «В»  класса  
МАОУ «СОШ № 45» г. Саратова

Руководитель: Дружинина Эльвира Олеговна

2014 год

                                   Введение.

Хотя мне всего 15 лет, я уже начинаю задумываться о будущем. За то время, когда я начала понимать, что происходит в окружающем мире, появилось много технических новинок и разработок, которые помогают нам в быту, в работе, на отдыхе: современные сотовые телефоны, планшеты, галопроекторы, современные нанопокрытия и нанороботы. Но это всё наша родная Земля.

Человек уже много тысяч лет назад, вглядываясь в ночное небо, наверняка мечтал о полете к звездам. Десятки тысяч мерцающих ночных светил заставляли его мысленно уноситься в безбрежные дали Вселенной. Но тогда это была всего лишь мечта. Лишь в ХХ веке она начала постепенно воплощаться в жизнь.

Космические аппараты, с помощью которых человек стремится в космос, становятся всё более сложными, и людям всё дальше хочется уноситься в далёкий космос.

Мой выбор пал на эту тему, т.к. мне было очень интересно, как можно с помощью современных технологий как можно больше узнать о далёком космосе или доставлять космонавтам всё необходимое для  их жизнедеятельности и  научных исследовании.

                         Основная часть.

 Основоположником современной космонавтики стал российский ученый и изобретатель-Циолковский Константин Эдуардович (1857-1935). Он впервые обосновал возможность использования ракет для межпланетных сообщений, указал рациональные пути развития космонавтики и ракетостроения, нашел ряд важных инженерных решений конструкции ракет и жидкостного ракетного двигателя. Технические идеи Циолковского находят применение при создании ракетно-космической техники. «Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель... Будет иной способ передвижения в космосе, — приму и его... Вся суть — в переселении с Земли и в заселении космоса». Из этого высказывания К. Э. Циолковского следует важный вывод — будущее человечества связано с покорением просторов Вселенной: «Вселенная принадлежит человеку!»

            Традиционный способ доставки грузов на орбиту очень дорог. Например, перевозка одного килограмма на шаттле, по оценке НАСА, стоит примерно 22 тысячи долларов. На российской одноразовой ракете-носителе "Протон" стоимость ниже: по некоторым оценкам, она составляет от одной до четырёх с половиной тысяч за килограмм. Но и это тоже недёшево.                Освоение космоса тормозит именно дороговизна ракетных стартов. Позволить их себе могут лишь крупные государства и считанные мегакорпорации, нашедшие способ извлекать из присутствия на орбите прибыль. Поэтому учёные начали разрабатывать новые средства передвижения на основе нанотехнологий.                

Что же сейчас понимают под нанотехнологиями? В сферу этой деятельности попадают объекты с размерами (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов до их конгломератов и органических молекул, имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Такие системы не только способствуют миниатюризации изделий, снижению энергоемкости и материалоемкости, но и обладают еще одним важным свойством: в силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров уменьшается и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. В настоящее время в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, в ряде наноструктур его можно уменьшить на несколько порядков величины. Но существующие массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.

Отчасти нанотехнологии уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической деятельности в развитых странах. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся в настоящее время ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства.

Современные приложения нанотехнологий включают:

• создание высокопрочных нанокристаллических и аморфных материалов, негорючих нанокомпозитов на полимерной основе;
• элементы наноэлектроники и нанофотоники, полупроводниковые, транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, сенсоры и др., тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы;
• устройства сверхплотной записи информации; телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры; плоские экраны, видеопроекторы и мониторы компьютеров;
• молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
• нанолитографию и наноимпринтинг и многое другое.

1. Космический лифт- один из космических проектов, для изготовления которого применяется одно из уникальных современных технических разработок- наноматериал. 

Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

Графен — монослой атомов углерода. Его можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен как перспективный материал, может заменить кремний в интегральных микросхемах.

Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволят уменьшить вес современных космических аппаратов почти вдвое.

 Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз и, теоретически, в 3-5 раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта.

Космический лифт  представляет собой ленту, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы" для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции.

Плюсы и минусы космического лифта по сравнению с другими разработками:

Плюсы                    

• Возможность запуска большого количества грузов;
• Дешевизна запуска по сравнению с обычными ракетами;
• Экологичность проекта из-за отсутствия горючих веществ как  у ракет;
• КЛ имеет гораздо больший процент готовности.

Минусы 

• Дороговизна проекта (10 млрд. долл) на эти деньги можно кормить всех жителей Африки в течении года;
• Далекая стадия от завершения проекта.

2.Новый луноход – российская лунная программа.

 В ходе реализации российской лунной программы будут использованы самые современные технологические решения, включая нанотехнологии. Именно благодаря этим технологиям новый универсальный планетоход, макет которого уже разъезжает по цеху НПО им. Лавочкина, будет гораздо более компактным, легким и более мобильным, чем его легендарный предшественник - "Луноход". К тому же увеличится радиус действия и срок эксплуатации лунного "разведчика". "Гарантийный срок эксплуатации планетохода - не менее одного года, но мы рассчитываем, что он прослужит гораздо дольше", - сказал Лукьянчиков. За год "малыш" должен обследовать выбранный район поверхности Луны, собрать образцы грунта, передать на Землю изображения, а затем в конце миссии перегрузить грунт на борт взлетной ракеты, которая доставит его на Землю.

Миссия лунохода может быть осуществлена уже в 2012 году. В настоящее время она рассматривается в рамках проекта "Луна-Глоб", включенного в Федеральную космическую программу на 2006-15 годов.

                 Модель космического лифта

Космический лифт.

3. Солнце до Марса довезет.

«Роснанотех» и научно-производственное предприятие «Квант» запустили уникальный научный проект: производство солнечных батарей для космических спутников и орбитальных станций на основе арсенида галлия.

Марсоход

Предприятие «Квант», которое недавно отметило 90 лет, разработало и изготовило уже свыше 2 тысяч солнечных батарей. В чем же будет принципиальное отличие новых?

• Долгие годы «хлебом» для станций «Салют», «Мир», а сейчас и МКС, для всех межпланетных аппаратов были кремниевые солнечные батареи. Они надежны и хорошо служат. Но сегодня перед специалистами стоит серьезная государственная задача – существенно повысить энерговооруженность российской космической техники.

Поэтому необходимо начать производить новое поколение элементов, у которых коэффициент полезного действия в космосе вдвое больше. Для сравнения: у кремния КПД – 15 процентов, у арсенида галлия – до 32. А это значит, что и срок службы, и весовые характеристики тоже повысятся в разы. Космический аппарат может летать пять лет, а может – пятнадцать. Можно ставить на орбите солнечные батареи 100 кв. метров, а можно – 50.

• Говоря о научной стороне вопроса, специалисты подчеркивают: это будет класс приборов, созданных на основе наногетероструктур, которые состоят из большого количества каскадных элементов – до 30 чередующихся слоев, каждый из которых имеет толщину всего 10–15 нанометров.
  То есть на атомарном уровне. Причем перспективы здесь большие не только в космосе, но и на Земле. Речь идет о том, что на базе новых элементов можно создавать наземные солнечные установки, концентрируя энергию Солнца с помощью линз, отражателей и т.д. Причем если КПД в космосе составляет 30 процентов, то в земных условиях он еще выше – 40.

На «Кванте» появится полный цикл производства новых солнечных батарей, более того – будут созданы по крайней мере еще две дополнительные линии. И, что немаловажно, это позволит не только полностью обеспечить российские заказы, но и выйти на международный уровень.

Любопытно, что первые солнечные элементы на основе арсенида галлия создавались на «Кванте» еще для лунохода. Спрашивается, почему про это забыли?

Мы ничего не забыли, – говорят конструкторы. – Вся новизна подобных солнечных элементов нового поколения именно в том, что они требуют суперсовременного оборудования. Наукой все эти годы мы владели по-прежнему, но технология из-за объективных причин отставала. И никак не удавалось преодолеть этот барьер.

Сейчас много говорят о пилотируемом полете к Марсу. Естественно, возникает вопрос: новые батареи могут использоваться для марсианского корабля? Как утверждают ученые, могут. Но должна быть создана их особая модификация: панели должны стать легче. При сохранении начального высокого КПД.

                                          Вывод

Космический лифт, новый планетоход и солнечные батареи являются перспективной разработкой настоящего времени, экологичной, проработанной и недалекой от завершения. Я думаю, что современные нанотехнологии позволят уменьшить загрязнения нашей планеты, неизбежные в нашем совремнном мире, а также решат многие технологические проблемы, связанные с изучением не только нашей Галактики, но и Вселенной.

                         Используемая литература

1. 1.Ю. И. Головин «Нанотехнологическая революция стартовала» // Природа, № 1.
2. 2.Татьяна Новгородская «Наука и техника стремиться в наномир» // ТМ , № 12.
3. 3.П. Н. Дьячков « Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров  XXI века» // Природа, № 11,2000, стр. 23-30.
4. 4. Интернет, следующие сайты:
5. 1) www.naukaran.ru
6. 2) www.nanocenter.ru
7. 3) www.rg.ru/…17/nano.html