Нанотехнологии для космоса

               Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2 им. А.А. Араканцева г. Семикаракорска»

                                      Содержание:

                                                 Введение.       

Космические исследования, проблемы освоения космического пространства стимулировали развитие многих отраслей современной техники. Выдвинутые космонавтикой научно-технические задачи требуют во всем объеме нового подхода к их осуществлению. Найденные при этом технические решения уже находят применение во многих областях народного хозяйства.

   Строительство ракет потребовало создания принципиально новых материалов, способных терпеть сверхнизкие, равно сверхвысокие температуры, устойчивых к переменным нагрузкам, вибрациям, резкой смене напряжений. Такие материалы были созданы, также нашли широкое применение в технике, в частности в тех областях, так или иначе говоря, не так связанных с плазменными процессами. Ограничение веса и габаритов приборов - необходимое требование успешного проведения исследований в космосе - оказало существенное действие на улучшение в области миниатюризации технических средств преимущественно в области электроники и вычислительной техники.

   Решение задач, связанных с проникновением в глубины космоса, ускорило темпы совершенствования систем автоматического управления, радио-телеризионной аппаратуры, быстродействующих электронных машин. Космонавтика дала толчок развитию новых направлений кибернетики.

   Космические исследования и полеты человека выдвинули всё новые, исключительно высокие требования к надежности ракетно-космических систем. Потребовалось решение сложнейших задач, обеспечение высокой надежности систем и их элементов быть минимальных весах и габаритах.

   Некоторый приборы, датчики а также элементы автоматических устройств, разработанные для космических исследований равно ракетной техники, уже находят применение в различных областях народного хозяйства. Можно было бы привести много примеров такого применения.

      Мощный толчок получат и технические науки, связанные  созданием средств ракетно-космической техники: механика космического полета, теория управления, учение двигателей, материаловедение, химия ракетных топлив, ракетодинамика, радиотехника также другие области науки.

    Я решил остановиться на использовании открытий нанотехнологии для космоса, так как эта область вызывает у меня наибольший  интерес.

Актуальность работы: будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.

Цель: показать неограниченные возможности современной науки и техники в развитии нанотехнологий, познакомиться с современными достижениями и пробудить интерес к проблеме нанотехнологий.

Задачи:

 -изучить основные направления и методы исследований в области нанотехнологий;

‐ узнать практическое значение разработок нанотехнологий в области робототехники, автоматики и космонавтики;

-познакомить с открытиями учащихся старших классов и показать значение открытий нанотехнологий для космоса;

Практическая значимость работы заключается в том, данная работа позволит расширить кругозор в данной области, познакомиться с новейшими достижениями науки и техники.

         Автоматические системы  и нанотехнологии в космосе .

     Благодаря нанотехнологиям стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.

     Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

     Ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

        Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание  дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий.   Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.).  Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. С помощью нанотехнологии можно создать не только что-то микроскопическое, невидимое для человеческого глаза.

Сейчас разрабатывается проект, привлекший внимание со стороны ученых и широкой общественности. Речь идет о так называемом космическом лифте. Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана. Идее космического подъемника более века. Первым о нем заговорил в 1895 году великий русский ученый Константин Циолковский, основоположник современной космонавтики.

Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом, исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили создать космический лифт. Ученые полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности. По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяющий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли. Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю вверх и вниз, перенося спутники, которые нужно вывести на орбиту. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры. Ученые предлагают разместить наземную базу космического лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно, что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бывает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту. В освоении космоса начнется новая эра!

     Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов.

Что случится, если порвется лента?

Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане.

 Но все же, что произойдет, если лента порвется? 

        Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее не сгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты) и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.

Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?

       Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.

Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу?

      В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.

1) Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния повредит ленту лифта, но как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать «мобильностью» и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.

2) Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими, настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.

3) При пересечении магнитных полей проводником в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет очень мал, поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.

Будут ли различные объекты задевать ленту?

       Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли, будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра.

Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре.

                               Причем тут нанотехнологии?

       Правда, если бы не быстрое развитие нанотехнологий и открытие нанотрубок, концепция космического лифта не продвинулась бы дальше научной фантастики. Надо сказать, что идее космического лифта уже больше ста лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский. Основоположник современной космонавтики предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства «башни» она была слишком тяжела.

Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью.

     Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3–5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.

       Самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, длиной всего несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря о 100 000 километрах.Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные.

Исходный материал – нанотрубки – обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент – тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.

Но это лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет – она не сильно отличается от прочности традиционных волокон. Однако уже видны различные пути увеличения прочности, например, за счет ориентирования углеродных трубок в одном направлении. Если прочность удастся повысить в 10 раз, то это значение приблизится к прочности углеродных волокон, а само производство волокна при этом может оказаться более дешевым за счет использования более дешевых компонентов. Пока не ясно, можно ли этим способом создать такой канат, который по прочности на разрыв будет, сопоставим с прочностью самих нанотрубок. Но если это удастся сделать, то появится шанс на сокращение срока постройки лифта.

                                       Мои предложения:

      Для ленты космического лифта я считаю можно было бы использовать  алмазоид .

     Алмазоид - алмазоподобная структура, построенная из атомов углерода методами механосинтеза, имеющая прочность и химическую инертность алмаза. Алмазоид будет использоваться в качестве основного материала при построении нанороботов.

       В настоящее время один из способов получения алмазов является метод активированной газовой фазы (химический синтез) при давлениях вблизи и ниже атмосферного и температурах от 300 до 1600°С. Активируется реакция методом высокотемпературного химического транспорта системе графит-водород-алмаз. Атомарный водород реагирует с водородом, расположенным на поверхности затравочного алмаза, образуя молекулярный водород Н 2 , оставляя активные места для будущей реакции присоединения димера углерода СС (для этого используют молекулы CH 2 и CH 3 ).

         Но для получения алмазоида с помощью МНТ и наноробототехники, нужно каждый раз удалять атомы водорода на их место ставить димер углерода CC . Но для этого требуются определенные инструменты.

         На сегодняшнее время сканирующие электронные микроскопы могут использоваться для создания химических ковалентных связей , при этом полученная структура не будет самопроизвольно деформироваться даже присутствии возле нее одного или двух атомов-реагентов. Но этого не достаточно для  эффективного способа получения и массового производства алмазоидных материалов.

                                Список литературы

1. http://museion.ru/1.9/almazoid.html
2. http://www.galaxy797.net/htech/nano/3/28.htm
3. http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html
4. http://old.nanonewsnet.ru/index.php?module=Pagesetter&func=viewpub&tid=9&pid=12
5. http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/nanotekhnologii-v-kosmose
6. http://www.slideshare.net/schoolnano/ss-6647445
7. http://www.12821-80.ru/
8. http://nashivkosmose.ru/