Испарение металла в космосе

Обновлено: 17.05.2024

Многие космонавты утверждают, что открытый космос имеет собственный запах, который невозможно ни с чем перепутать. О том, как можно почувствовать космический аромат и что говорят ученые о его источнике – в материале научного обозревателя Николая Гринько.

Как можно догадаться, понюхать космос непосредственно – задача не просто сложная, но абсолютно невыполнимая, и этому есть целых две причины. Во-первых, космонавт, выбравшийся в открытый космос, всегда надежно отделен от безвоздушного пространства скафандром (который, кстати, обладает собственным запахом). А во-вторых, даже если хотя бы ненадолго снять герметичный шлем, "втянуть ноздрями", ничего не получится: внутренне давление в человеческих легких тут же начнет выталкивать воздух в окружающий вакуум. Проще говоря, космонавт сможет сделать выдох (скорее всего, последний в жизни), а вдох – нет.

И тем не менее едва ли ни все люди, побывавшие в открытом космосе, рассказывают о запахе. Как такое возможно? Дело в том, что ощутить внешний аромат можно в шлюзовой камере космического корабля. Когда шлюз выравнивает давление, космонавт снимает шлем и с удивлением обнаруживает, что окружающий воздух отчетливо пахнет чем-то непривычным. Одним из первых об этом рассказал астронавт NASA Кевин Форд в интервью изданию Space в 2009 году: "Это было не похоже ни на одно из того, что я раньше чувствовал, но я никогда не забуду этот запах".

Проблема в том, что человеческие языки не способны точно описать, что передает нам обоняние.

Остается только подбирать сравнения и аналогии. Астронавт Томас Джонс говорил, что космос "имеет отчетливый запах озона, слабый едкий запах, немного похожий на порох или серу". Российский космонавт Сергей Рязанский рассказывал, что космос пахнет сваркой и жженым металлом. Трижды побывавший на МКС инженер-химик Дональд Петтит был чуть более многословен: "Каждый раз, когда я открывал люк шлюза, специфический запах щекотал мои ноздри. Сначала я не мог определить его источник, но потом заметил, что аромат исходит от скафандра, шлема, перчаток и инструментов. Лучшее описание, которое я могу для него придумать, – это горячий металл, довольно приятное сладковатое ощущение, напоминающее дым от сварки. Это запах космоса".

"Чуть подгоревшее барбекю", "пережженные тормозные колодки", "расплавленное железо" – так описывают космический аромат те, кому удалось его почувствовать. Кстати, астронавты, побывавшие на Луне, тоже рассказывают о запахе, пытаясь описать его с помощью разных сравнений. Но лунный запах явно другой: во всех этих рассказах присутствует одно и то же слово – "порох". Так что Луна по большей части пахнет порохом.

Откуда же берется запах космоса? На этот счет у исследователей есть две теории. Согласно первой, причина в одиночных атомах кислорода, хаотично летающих по космосу. Попав в шлюз, атомарный кислород из-за сильного перепада давления соединяется с молекулами кислорода O₂, образуя озон O₃. Именно его запах и ощущается, как "слегка металлический".

Но есть и другая версия. Согласно ей, запах космоса создают умирающие звезды – взорвавшиеся сверхновые.

Они высвобождают огромное количество энергии, и при этом образуются соединения, известные как полиароматические углеводороды (эти вещества встречаются и на Земле, например, в пластах каменного, бурого угля и антрацита, а также как продукт неполного сгорания при лесных пожарах). Вещество погибших звезд миллионами лет носится по Вселенной, и в конце концов крохотная его часть оседает на скафандрах, инструментах и космических аппаратах. Другими словами, космос наполнен гарью от сильнейших взрывов, и космонавты после шлюзования чувствуют запах сверхновых.

Кстати, в 2020 году один парфюмерный стартап выпустил два аромата: Eau de Space и Eau de Luna. По утверждению авторов (один из которых раньше работал в NASA), их продукты пахнут в точности так же, как открытый космос и Луна. Так что "понюхать Вселенную" сегодня может любой желающий.

Что происходит с металлом в космосе?

Общеизвестный факт – металл в атмосфере нашей планеты подвержен окислению (реакция взаимодействия с кислородом). Любой кусок металла в атмосфере Земли покрывается тонким слоем окисления и этот слой является как бы защитной пленкой. Но что произойдет с металлом в космическом вакууме?

Если в космическом пространстве два куска металла приложить один к другому, то без защиты окисленного слоя атомы металла начнут активно взаимодействовать друг с другом, и в итоге два рассматриваемых куска металла просто склеятся друг с другом.

С учетом этого факта инструменты для космонавтов, которыми они пользуются в открытом космосе, покрываются защитным пластиковым покрытием. Это реальный факт. Но стоит отметить, что если взять в космос инструмент с Земли, то он уже имеет защитную пленку, полученную в результате естественного окисления. А значит к другому металлическому предмету такой инструмент уже не прилипнет.

Американские ученые экспериментировали с различными металлами, помещая их в вакуум. Целью этих опытов было выяснить, что происходит с металлами в космическом пространстве. Условия вакуумной камеры соответствовали условиям пространства на уровне 800 километров над поверхностью Земли. В результате этих опытов ученые выяснили интересные факты:

Некоторые металлы, а именно сплавы магния, цинк, кадмий просто испарились
Самая высокая устойчивость к указанным условиям оказалась у платины, вольфрама, титана и стали
Срок службы металлов в условиях космоса возрастает в разы. Причиной такого эффекта ученые посчитали все то же отсутствие кислорода в космическом вакууме. Отсутствие кислорода, по мнению ученых, способствует «затягиванию» микротрещин на поверхности металлических предметов.

В связи с фактом увеличения срока службы металлов в космосе многие дальновидные исследователи размышляют о космической металлургии. Ученые занимаются исследованием возможности добычи и производства металлов на Луне. Конечно, это не простая задача, — условия на Луне таковы, что при 700-900 0 С твердое железо перейдет в газообразное состояние.

Специалисты в области физики считают, что необъятная Вселенная может стать прекрасным источником добычи металла. Источниками могут быть не только Луна, но и любые космические тела, такие как астероиды и метеоры. А в бескислородных условиях космоса возможно будет оптимально применить новейшие технологии обработки металлов.

В условиях же нашей планеты, как говорилось выше, металлы подвержены окислению. И этот процесс отнюдь не приносит пользы металлическим изделиям в долгосрочной перспективе. Результатом окисления поверхности металла становится коррозия. Коррозия проявляется в разных вариантах, самый яркий пример коррозии – это ржавление.

Одним из популярных и востребованных способов борьбы с коррозией является лазерная очистка. Этот метод отличается высокой эффективностью и используется для очистки металлических поверхностей от разных загрязнений – окислов, пятен, краски, ржавчины и т.п.

Важные преимущества лазерной очистки:

Лазерная очистка не меняет эксплуатационные свойства металлического изделия,
Это экологичный способ обработки, который не требует никаких расходных материалов,
Лазер позволяет очищать детали любой, даже самой сложной геометрической формы.

Мастера нашей компании имеют большой опыт очистки металла лазером. Чтобы заказать услугу лазерной очистки оставьте заявку на нашем сайте.

Еще один способ повысить долговечность и износостойкость изделия – это закалка металла. Подробнее смотрите на нашем сайте

Войдите в ОК

Испарение материалов в глубоком вакууме ниже 10 ~3 мм рт. ст.

Испарение носит избирательный характер и потеря металла с границ зерен примерно на порядок превышает испарение с тела зерна. Поэтому при оценке поведения материалов в космическом вакууме нельзя руководствоваться только средними хар-ками испарения. Различно ориентированные зерна металла будут испаряться по-разному (следствие анизотропии сил межатомной связи в кристалле), что приведет к нек-рой шероховатости поверхности. В космосе сильно проявляется корпускулярная природа эффектов давления. Свободный пробег частиц составляет величину порядка нескольких км. По этой причине компоненты испарения, оторвавшиеся от поверхности космического корабля, практически больше не встретятся с этой поверхностью. Изменение плотности газов по мере удаления от Земли приводит к понижению давления, связанного с числом молекул или атомов, сталкивающихся с поверхностью тела.

Такие металлы, как железо, никель, алюминий и бериллий, при 450° К имеют упругость пара порядка или менее 10~14 мм рт.ст. (экстраполированные данные), а при 900°К — Ю-10— 10"9 мм рт. ст. и безусловно пригодны в качестве основы для создания космических сплавов, хотя придется считаться с некоторым испарением при повышенных темп-рах, к-рое, может быть, будет ограничивать температурный потолок их применения в большей мере, чем возможная жаропрочность. Большинство тугоплавких металлов (Та, W, Мо и др.) хорошо ведут себя в вакууме даже при очень высоких темп-pax. Исключение представляет хром, легко испаряющийся при темп-pax выше 1500—1700°С.

Газовые примеси, естественно, легко испаряются в глубоком вакууме, что сказывается на св-вах металла. Испарение летучих компонентов сплава возможно только при достаточно высоких темп-pax, когда путем диффузии реализуются «атомные перевозки» испаряемого элемента к поверхности. Упругость паров какого-либо элемента в сплаве отлична от значений этой хар-ки для чистого металла.

Весьма сложную проблему представляет создание неметаллических материалов для работы в глубоком вакууме. Испарение отд. компонентов делает непригодными в качестве космических материалов многие известные в технике композиции неметаллов того или иного назначения.

Нек-рые металлы, как, напр., цинк и кадмий, широко применяемые в технике в качестве защитных покрытий от коррозии в условиях длит, эксплуатации во влажной атмосфере, не обеспечивают работу в глубоком вакууме. При темп-ре 450° К, к-рая может характеризовать условия работы обшивки спутников в космическом пространстве, цинк и кадмий имеют соответственно упругость паров 5-Ю-7 и 10 ~*мм рт. ст., что исключает возможность их применения в качестве космических материалов. Ползучесть и разрушение металлов и сплавов в зависимости от глубины вакуума, температуры и длительности испытания. Процесс разрушения при длит, ползучести у большинства металлов идет путем образования и развития трещин по границам зерен. Усиленное испарение металла с границ зерен в глубоком вакууме ускоряет процесс разрушения, если материал работает при высокой темп-ре. Однако, применяя спец. "легирование, можно существенно затормозить локальное испарение с границ зерен.

При эксплуатации материала в области сравнительно низких темп-р в земных условиях, когда не проявляется заметным образом испарение, вакуум может оказаться даже полезным, т. к. окисление под напряжением границ зерен металла (на воздухе) понижает сопротивление отрыву.

Большую проблему составляет состояние поверхности изделий, работающих в космическом пространстве, т. к. поверхностный слой металла наиболее подвержен вредным остаточным явлениям после различных технологических операций. Механическая обработка жаропрочных сплавов может явиться источником двух неблагоприятных явлений: растягивающих остаточных напряжений и пластич. деформации в тонком поверхностном слое металла (глубиной 15—20 мк). Остаточные напряжения после механической обработки связаны не только и не столько с неравномерной пластич. деформацией в процессе резания, сколько с неравномерным нагревом изделий во время этой операции; чем меньше теплопроводность металла, тем выше уровень остаточных напряжений после резания. Как и в случае эксплуатации в земных условиях, поверхностный наклеп изделий нежелателен, если темп-pa и длительность работы достаточно велики для протекания диффуз. процессов; для деталей, работающих в области сравнительно низких темп-р, наклеп часто применяется в качестве упрочняющей технологии.

Под влиянием пластич. деформации энергия активации процесса диффузии уменьшается в 1,5—2 раза и в поверхностном слое металла при повыш. темп-pax происходит интенсивное достаривание многих гетеро- фазных сплавов, что сокращает срок их эксплуатации. В связи с этим выдвигаются спец. требования к состоянию поверхностного слоя металла. Большой интерес в этом отношении представляет процесс электрополирования на глубину слоя, поврежденного пластич. деформацией. Режим электрополирования должен быть подобран т. о., чтобы не происходило растравливания границ зерен. Для релаксации остаточных напряжений в ряде случаев рекомендуется отжиг изделий в нейтральной среде.

Механизм релаксации остаточных напряжений, возникших при резании в поверхностном слое, имеет двоякую природу: остаточные напряжения могут релаксировать при нагреве за счет повыш. диффузионной подвижности атомов в поверхностном слое (что требует сравнительно низкой темп-ры отжига) и путем пластич. деформации или ползучести под влиянием самих остаточных напряжений (что требует более высоких темп-р нагрева). Нагрев под прокатку и ковку целесообразно вести в нейтральной среде, т. к. наличие окисной пленки может привести к понижению жаропрочности в подокисном слое металла, обедненном легирующими элементами, пошедшими на образование окисной пленки. Оксидирование и фосфатирование металлов, приводящие к созданию на поверхности изделий плотных и стабильных в глубоком вакууме пленок, затрудняют процесс испарения.

В космическом пространстве состояние невесомости, а также отсутствие аэродинамических сил существенно облегчает работу отдельных элементов конструкции. Конечно, напряженность от действия центробежных сил, напр. во вращающихся дисках, такая же, как и в земных условиях; в этом случае необходима высокая уд. прочность.

При взлете с поверхности Земли приходится считаться с большими ускорениями и вибрациями. Ряд отсеков конструкции, в т. ч. кабина космонавта, находится под внутр. давлением, что делает целесообразной проверку материалов на чувствительность к образованию и развитию трещин при плоском напряж. состоянии.

Необходимость такого рода испытаний станет особенно очевидной, если учесть, что ряд авиац. катастроф за рубежом, внешне представляющих как бы взрыв фюзеляжа самолета, своей непосредств. причиной имел быстрое развитие трещины усталости под влиянием внутр. давления, создавшего в конструкции большой запас потенциальной упругой энергии. Опасность такого разрушения должна быть учтена при выборе материала и разработке конструкции с учетом возможного проникновения метеорита - через оболочку кабины космонавта.Влияние на материалы глубокого холода. В космич. пространстве темп-ра отдельных элементов конструкции летат. аппаратов может быть ниже —250°, приближаясь к абс. нулю. Поэтому вопросы хладноломкости металлов приобретают огромное практическое значение. Хладноломкость прежде всего связана с чистотой металла в отношении примесей, искажающих кристаллич. решетку, что заставляет предъявлять к космич. материалам особо высокие требования по чистоте металла.

Степень чистоты металла по примесям может быть различной в зависимости от «тесноты квартиры», занимаемой ими в кристаллич. решетке с учетом того, что мн. примеси представляют собой не механически вкрапленные включения, а атомы и соединения, взаимодействующие с ион- электронной решеткой осн. металла; нек-рые примеси особенно опасны при расположении их по границам зерен поликристалла и в этом отношении монокристалл должен быть менее хладноломок.

«Теснота квартиры» может быть в первом приближении охарактеризована периодом решетки основного металла.Из числа металлов с объемноцентрированной кубич. решеткой ниобий имеет большой период решетки и не обладает хладноломкостью в широком интервале темп-р. Никель, медь и алюминий, имеющие кубич. гранецентрированную решетку, также не относятся к числу хладноломких металлов, однако установлено, что медь под влиянием нейтронного облучения при комнатной темп-ре становится хладноломкой при 78°К — здесь проявляется влияние внедренных в междуузлия собственной решетки атомов меди. Среди гексагональных металлов бериллий имеет самую «тесную квартиру» и он хладноломок даже при ничтожном содержании нек-рых примесей.

Космическое материаловедение: от громоздких фантазий к нанотехнологическому изяществу будущего

Фантасты много и подробно пишут о грядущем освоении космоса, но один вопрос они почти всегда обходят вниманием: из чего будут сделаны все эти удивительные межпланетные корабли и звездолёты? Проблематика выглядит немаловажной, ведь даже на интуитивном уровне понятно, что в мире огромных энергий и скоростей от свойств используемых материалов зависит выживание космонавтов и успех выполнения любой, даже самой простой, миссии.

Создан для космоса

Чем легче космический аппарат и ракета-носитель, тем большую скорость при том же запасе топлива они способны развить. В свою очередь от скорости зависит и достижимая область космоса: при первой космической аппарат останется на ближней орбите, при второй — отправится в межпланетное пространство, при третьей — вырвется за пределы планетной системы, при четвёртой — Галактики.

Необходимость больших скоростей для выхода за пределы земного тяготения показал ещё Исаак Ньютон, но долгое время не существовало представления о том, как можно реализовать космический полёт, ведь учёные сомневались в принципиальной возможности построить аппарат тяжелее воздуха. Поэтому в ранней фантастике транспортные средства для путешествий к иным мирам были «волшебными», никак не связанными с реальными технологиями.

Первый научно обоснованный проект космического полёта изложен в романе Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут» (De la Terre à la Lune, trajet direct en 97 heures 20 minutes, 1865), в котором описана огромная пушка, стреляющая снарядом с пассажирами внутри. Роман изобилует ошибками с точки зрения физики, но обращает на себя внимание, что французский писатель задолго до появления теоретических основ космонавтики понимал значение материалов при внеземной экспансии, поэтому придуманный им пассажирский снаряд изготовлен из алюминия:

«— …Я вам предложу нечто получше.
— Что же именно? — спросил майор.
— Алюминий, — ответил Барбикен.
— Алюминий?! — хором воскликнули его коллеги.
— Ну да, друзья мои. Вы знаете, что известному французскому химику Анри Сент-Клер Девилю удалось в 1854 году получить алюминий в значительных количествах. Этот драгоценный металл обладает белизной серебра, неокисляемостью золота, ковкостью железа, плавкостью меди, лёгкостью стекла; его очень легко обрабатывать; он чрезвычайно распространен в природе, так как является главной составной частью множества горных пород; к тому же он в три раза легче железа, и он как будто создан для того, чтобы послужить материалом для нашего снаряда».

Надо сказать, что цена алюминия в то время была очень высока: Жюль Верн приводит стоимость $9 (тогда ещё обеспеченных золотом) за фунт (0,454 кг). Произведя расчёт, персонажи романа устанавливают, что при использовании алюминия цена снаряда составит $173 250 — сумасшедшие деньги, если вспомнить, что тройская унция золота тогда стоила $30 (для сравнения: сегодня она стоит $1870). Однако французский писатель здраво полагал, что уникальные космические проекты априори будут дорогостоящими, хотя и представить не мог, что речь пойдёт о сотнях миллионов или даже миллиардах долларов.

Соображения Жюля Верна о необходимости использовать лёгкие металлы при строительстве космического транспорта ожидаемо оказали влияние и на его последователей-фантастов. Но они не стали слепо копировать «отца» научной фантастики, а предложили свои варианты. Например, Жорж Ле-Фор и Анри де Графиньи в романе «Необыкновенные приключения одного русского учёного» (Aventures extraordinaires d'un savant russe, 1888) описывали похожий межпланетный снаряд, который изготовлен не из алюминия, а из никель-магниевого сплава. В дилогии, состоящей из повестей «Кирпичная луна» (The Brick Moon, 1869) и «Жизнь на кирпичной луне» (Life in the Brick Moon, 1870), американский писатель-теолог Эдвард Хейл предложил делать искусственный спутник, запускаемый с помощью колоссального маховика, из… кирпича, полагая, что при пролёте через атмосферу он раскалится настолько, что температуру не сможет выдержать ни один существующий металл.

Кстати, многоразовые космические шаттлы действительно защищали плиткой на основе кварца. А из наноструктурированной керамики и металлокерамики изготавливают износостойкие подшипники и даже бронекерамику. Это основная продукция петербургской компании «Вириал», акционером которой является «Роснано».

Как известно, в мае 1903 года калужский изобретатель Константин Циолковский опубликовал первую часть статьи «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой расчётом показал, что космические скорости можно развить ракетами на жидком топливе. Вторая часть вышла только в 1911 году, а дополнение к ней ещё через три года. Из статьи видно, что Циолковского не слишком занимали вопросы космического материаловедения. Он был уверен: ракета даёт такие преимущества перед другими способами достижения межпланетных пространств, что можно использовать любые материалы — к примеру, делать её цельной из стали. Беспокоила изобретателя лишь «горячая часть» (камера сгорания и сопло, работающие при температурах до 2500 °С), но он писал, что известны металлы (осмий, вольфрам), которые сохранят целостность в таких условиях; кроме того, вполне реально построить систему охлаждения. Подобным образом Циолковский представил космические ракеты в своей фантастической повести «Вне Земли» (1918), призванной популяризировать его проекты.

Хотя в то время о Циолковском мало кто знал, идея применения ракет для полётов в космос распространилась усилиями журналистов довольно быстро. Поэтому межпланетное «яйцо», описанное Алексеем Толстым в знаменитом романе «Аэлита» (1923), двигается уже силой реакции взрывающегося вещества; при этом оно изготовлено из тугоплавкой стали.

Живой металл

Ранняя научная фантастика породила несколько стереотипов, связанных с космосом, но не имеющих отношения к подлинным проблемам внеземных полётов. Например, считалось, что главную опасность для пилотируемых кораблей будут представлять шальные астероиды и метеороиды. Хотя пионер американского ракетостроения Роберт Годдард ещё в 1919 году подсчитал, пользуясь данными астрономов, что должны быть совершены тысячи межпланетных рейсов, прежде чем вероятность столкновения корабля с достаточно крупным небесным булыжником станет более или менее значимой, мнимая угроза заставляла фантастов думать о бронировании вымышленных кораблей, поэтому громоздкие железные посудины (ещё и с атомными двигателями!) надолго вытеснили из романов о космосе какие-либо иные конструкции.

В то же время бурно развивающееся авиастроение всё более активно применяло алюминий. Поначалу он казался не самым подходящим металлом для эксплуатации, поскольку коррозирует под воздействием даже слабых растворов щелочей и кислот. В поисках методов борьбы с коррозией начали исследовать его сплавы. И в сентябре 1906 года немецкий химик Альфред Вильм, изучая алюминий с небольшими добавками меди, магния и марганца, открыл, что тот, находясь при комнатной температуре в течение четырёх-пяти суток, становится более твёрдым и прочным после резкого охлаждения (эффект был назван «старением»). В марте 1909 года Вильм получил патент на метод, и вскоре сплав был выпущен на рынок под названием «дюралюминий» (duraluminium) в честь города Дюрена, где началось его промышленное производство.

Постепенно алюминиевые сплавы обрели широкое распространение — их использовали в конструкциях дирижаблей и самолётов. Не обошёл те вниманием и немецкий инженер Вернер фон Браун, руководивший постройкой баллистической ракеты дальнего действия А-4, более известной как «Фау-2» (V-2). Хотя корпус и каркас ракеты были сделаны из стали, топливные баки с целью уменьшения массы решили изготавливать из алюминиевого сплава. После войны «Фау-2», способная подниматься до космических высот, послужила образцом для американских и советских специалистов. Поскольку её стальной корпус заметно утяжелял конструкцию, от него отказались, научившись создавать «несущие» баки из деформируемых алюминиевых сплавов, — именно такие были применены на советской межконтинентальной ракете Р-7, которая в октябре 1957 года стала первым космическим носителем и породила целую линейку ракет для запуска спутников и пилотируемых кораблей. Под названием «Союз» ракеты этой линейки эксплуатируются и сегодня.

Разумеется, ассортимент материалов в ракетостроении не ограничивается нержавеющей сталью и алюминиевыми сплавами: активно применяются медь, серебро, стекло- и углепластики, пенопласты и клеи. Для упрочнения отдельных элементов внедряют титан и бериллий. В космических аппаратах, кораблях и орбитальных станциях разнообразие ещё больше в силу необходимости поддерживать внутри стабильные температурные режимы на протяжении недель, месяцев и лет.

По мере роста спутниковой группировки выяснилось, что на материалы оказывают влияние специфические факторы, которые до того никто не смог достоверно описать. По сей день данные, полученные в наземных лабораториях, имитирующих космические условия, заметно расходятся с теми, которые удаётся собрать во время орбитальных экспериментов.

Прежде всего в космосе проявила себя сублимация — испарение веществ в вакууме. При невесомости молекулы не осаждаются на поверхность, что приводит к разрушению структуры материала быстрее, чем на Земле. Особенно от этого страдают покрытия из окисей железа и цинка. Наиболее подвержены испарению кадмий и магний, что сказывается на сплавах, в которых они присутствуют. Наиболее устойчивыми ожидаемо оказались кремний, титан, платина и вольфрам. Интересно, что вакуумная сублимация по-разному проявляет себя: при высоких температурах и низких механических напряжениях она растёт быстрее, чем в земной атмосфере, при низких температурах и высоких напряжениях — наоборот.

Специалистам также приходится учитывать воздействие космических потоков частиц (протонов, нейтронов и т.п. ) и электромагнитных волн (гамма-лучей, рентгеновских лучей и т.п. ). Из-за них возникает эрозия и меняются физические свойства, от чего особенно страдают органические материалы (пластмассы, эластомеры, масла и др.). Если говорить об элементах космических аппаратов, наиболее чувствительны к облучению транзисторы, фотоэлектрические преобразователи и солнечные батареи. Они быстро деградируют, поэтому для увеличения продолжительности работы их защищают специальными экранами. Кроме того, ведётся непрерывный поиск более стойких полупроводниковых материалов и тонкоплёночных элементов.

Многофункциональные наноструктурированные покрытия — термобарьерные, износостойкие, коррозионностойкие — наносит входящая в группу «Роснано» компания «Плакарт». В частности, ими защищают узлы газотурбинных двигателей, что позволяет существенно увеличить их КПД, мощность и ресурс.

На тонкой нити

В 1979 году всемирно известный писатель-фантаст Артур Кларк выпустил роман «Фонтаны рая» (The Fountains of Paradise), в котором описал проект космического лифта — тросовой транспортной системы, доставляющей полезные грузы на геостационарную орбиту безреактивным способом. Идея не принадлежала Кларку, но он ошибочно приписывал приоритет группе американский океанологов, выдвинувших концепцию «Небесного крюка» (Sky-Hook) в феврале 1966 года.

Впрочем, скоро выяснилось, что космический лифт имеет более почтенную историю — первым о нём написал ленинградский инженер Юрий Арцутанов: его статья «В космос — на электровозе» была опубликована 31 июля 1960 года. Арцутанов и Кларк понимали, что если для космического лифта использовать канат постоянного сечения, то он при протяжённости 35 000 км оборвётся под собственной тяжестью. Проблему частично решало применение каната переменного сечения: минимального у Земли и максимального — на геостационарной орбите. Кроме того, необходим противовес, который будет придавать систем устойчивость, — им может служить либо ещё один такой же канат, протянутый в сторону Луны, либо массивный астероид, пригнанный на околоземную орбиту. Именно в таком виде лифт описан в «Фонтанах рая».

При этом Кларк полагал, что когда-нибудь циклопическая тросовая система вытеснит все иные средства доставки в космос — за счёт низкой стоимости выводимого груза. Расчёты, впрочем, показывали, что ни один существующий материал не выдержит вес каната, поэтому писатель ввёл фантастическое допущение: якобы через двести лет после начала космической эры на орбитальных заводах начнут в промышленных количествах производить нить из «псевдоодномерного алмазного кристалла».

Космические материалы в фантастике

Два столетия ждать не пришлось: в 2000 году американский физик Брэд Эдвардс провёл соответствующее исследование и показал, что нить для лифта существует — её можно изготавливать из однослойных углеродных нанотрубок, которые по своей прочности на два порядка превышают лучшие марки стали. И всё же достигнутых характеристик пока недостаточно: прочность на разрыв для одной миллиметровой нити космического лифта должна быть не ниже 65 гигапаскалей (что соответствует грузу в 65 тонн), а лучшие нанотрубки, создаваемые сегодня, обеспечивают 52 гигапаскаля. Кроме того, высока и стоимость нанотрубок — грамм стоит около $25, а на один трос для лифта, по прикидочной оценке, понадобится 20 млн граммов.

Настоящую революцию здесь прямо в наши дни совершает компания OCSiAl из инвестиционного портфеля «Роснано». В начале этого года в новосибирском Академгородке она запустила крупнейшее в мире производство графеновых нанотрубок. Мощность установки – 50 тонн в год. И это только начало: в планах компании наращивание производства.

Пока у космического лифта есть и другие проблемы: динамическая устойчивость конструкции, защита от космического мусора, подвод энергии и отвод избыточного тепла. Но главное — лифт сможет выйти на уровень самоокупаемости только в том случае, если грузовой поток на орбиту составит минимум 2000 тонн в год. Ещё столько же придётся спустить вниз для поддержания устойчивости лифта. Вряд ли у человечества в обозримом будущем появятся задачи, требующие подобного грузооборота.

Тем не менее наноматериалы вполне могут найти применение в ракетно-космических проектах, предусматривающих улучшение механических свойств конструкций, миниатюризацию элементной базы, совершенствование научной аппаратуры, систем энергообеспечения и жизнеобеспечения. Углеродные нанотрубки в качестве добавок способны творить чудеса с самыми обычными материалами: кратно повышать прочность металлических сплавов, пластика и даже бетона, радикально менять их свойства, например делать пластмассу электропроводной. Всё это способно произвести революцию в космической технике: сделать ракеты легче, мощнее и долговечнее.

Печать по требованию

Развитие нанотехнологий открывает новые возможности в создании композиционных материалов (композитов), которые состоят из нескольких видов веществ с сохранением границ между ними. При этом композиция должна приобретать новые свойства, которые не присущи её составляющим по отдельности.

Особый интерес у специалистов в этой связи вызывают поликристаллические материалы на основе керамики, которые могут использоваться двояко: в качестве матрицы для формирования композита или, наоборот, в качестве наполнителя. Скажем, керамика обладает высокой твёрдостью и термостойкостью, но имеет существенный недостаток — хрупкость. Повысить устойчивость материала к вибрации можно за счёт спекания нанопорошка и размещения его в матрице с микроразмерными ячейками. На основе полученного композита можно изготавливать печатные платы, радиационную и тепловую защиту нового поколения.

Разрабатываемые сегодня композиты на основе акриловых, кремнийорганических и уретановых смол позволят создавать пассивные терморегулирующие покрытия с низким газовыделением, что поможет бороться как с неравномерностью температурного режима на поверхности космических аппаратов, так и с вакуумной сублимацией, повышая тем самым их рабочий ресурс — до пятнадцати лет и больше. Металлические порошки и многослойные углепластики можно формировать в соты, что снижает массу конструкций (до 40–50%) при сохранении и даже повышении жёсткости (до 60–80%) по сравнению с аналогичными монолитными аналогами. Полимерные композиционные материалы находят применение в шарах-баллонах, дыхательных баллонах, топливных баках и аккумуляторах давления. Использование органоволокон и стекловолокон повышает долговечность и коэффициент весового совершенства этих ёмкостей.

В «Наноцентре композитов» (НЦК) (входит в инвестиционную сеть Фонда инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО) производят композитную продукцию для авиации, в том числе дронов, для которых критически важен малый собственный вес. Но эти волшебные материалы уже стали значительно более приземленными, чем могли бы ожидать самые смелые фантасты. Из них делают автобусы, в восьмивагонном составе поезда метро новой серии «Москва 2020» используется более 900 деталей, сделанных НЦК. А ещё системами армирования из композитов укрепляют мосты и ветхие здания: тонкие полоски продлевают им жизнь на многие десятилетия.

Нанокомпозиты открывают путь к получению «умных» материалов (smart-материалов), которые чутко реагируют на изменения условий внешней среды или команды, подаваемые с помощью направленного физического воздействия. Область их применения в ракетно-космической технике не ограничена: от тканей скафандров до корпусов космических кораблей. «Умные» материалы способны осуществлять «самодиагностику», выявляя места повреждений и при необходимости «регенерировать», восстанавливая целостность при разрывах или пробоях.

В то же время всё более доступными становятся технологии нетрадиционных производств, что обещает настоящую революцию в космической инженерии. Среди образцов для подражания называют двухступенчатую ракету-носитель «Электрон» (Electron) сверхлёгкого класса, спроектированную сотрудниками американской компании Rocket Lab. Особый предмет их гордости — жидкостный двигатель «Резерфорд» (Rutherford), созданный способом 3D-печати из инконеля (хромоникелевого жаропрочного сплава). Но и в других частях ракеты применены оригинальные новшества: основные элементы корпуса, включая несущие топливные баки, выполнены из углерод-углеродного композиционного материала, а питание двигателя осуществляется электронасосами с литий-полимерными батареями. Сегодня «Электрон» успешно эксплуатируют (первый запуск состоялся 25 мая 2017 года), подавая пример эффективного внедрения передовых технологий.

Достижения в области внедрения новых материалов дают основания утверждать, что ракеты и космические аппараты в ближайшей перспективе будут становиться более лёгкими, надёжными, многофункциональными. Похоже, и фантастам пора менять стереотипы, отказываясь от шаблона громоздких посудин в пользу образа изящных стремительных конструкций, летящих среди звёзд.

Автор: Антон Первушин

Подписывайтесь на канал «Инвест-Форсайта» в «Яндекс.Дзене»
Наши телеграм-каналы:
Стартапы и технологии
Новые бизнес-тренды

Картотека: добыча ископаемых в космосе

Запас полезных ископаемых, извлекаемых из земной коры, истощается. Для растущего населения планеты это серьезная угроза, предотвратить которую поможет освоение космических недр. Насколько оно реально и как скоро начнется, рассказывает Юлия Мильшина, ведущий эксперт Форсайт-центра ИСИЭЗ НИУ ВШЭ, одна из авторов нового трендлеттера «Будущее добычи металлов».

Что можно добыть?

Освоение космических недр — это добыча полезных ископаемых на астероидах, планетах, кометах и других небесных телах Солнечной системы. Согласно исследованию астрофизиков из Гарварда, сегодня для добычи ископаемых пригодны 10 астероидов, сближающихся с Землей.

Космические объекты содержат железо, никель, магний, кобальт, титан, драгоценные и редкоземельные металлы (рений, иридий, платина и др.), минералы, из которых можно получать воду, кислород, водород.

Это выгодно?

Потенциальные масштабы горного дела в космосе исчисляются триллионами долларов. Например, стоимость:

ресурсов в поясе астероидов — $700 квинтиллионов или $100 млрд на каждого жителя Земли;
среднего платинового (богатого платиной) астероида — около $3 трлн;
небесного тела с замороженной водой – около $5 триллионов;
железной руды на астероиде (16) Психея, космический аппарат для изучения которого отправится в 2022 году, — $10 трлн;
полезных ископаемых астероида UW-158, содержащего около 100 млн тонн платины, – до $5,4 трлн.

Как работать в невесомости?

Предлагаются несколько технологий:

разработка месторождений открытым способом (к примеру, материал соскребается с поверхности с помощью ковша или шнека);
добыча в шахтах (при невозможности открытого способа необходимо строительство шахт и транспортных систем для доставки руды на поверхность и в центр обработки);
сбор металлов с поверхности с помощью магнитов (космические объекты с высоким содержанием металлов покрыты рыхлыми породами, которые могут быть собраны с помощью специальных магнитов);
добыча с помощью теплового воздействия (воды и различных летучих соединений газов, таких как водород, на ядрах выродившихся комет);
биодобыча (использование микроорганизмов для извлечения металлов из горных пород или рудников).

И что с этим делать?

Природный материал можно доставлять для переработки на Землю, либо перерабатывать на месте. Если удастся реализовать идею по выводу объектов на околоземную орбиту с оптимальными условиями гравитации, реальностью станет организация постоянной добычи.

Для освоения внеземных недр потребуются роботизированные станции и космическая инфраструктура. Уже появляются проекты орбитальных фабрик, т.е. производства продуктов в космосе. Первым устройством для такой работы стал 3D-принтер, созданный компанией Made In Space (США).

Кто имеет право на добычу в космосе?

Основа космического международного права — Договор о космосе (подписан в 1967 году СССР, США и Великобританией, сегодня участников уже более 100). Согласно документу, небесные тела не могут быть частной или национальной собственностью. Условия добычи на них не оговариваются.

Первый закон, регулирующий такую деятельность, принят в Соединенных Штатах Америки в 2015 году (US Commercial Space Launch Competitiveness Act). Одна из его статей гласит: «Гражданин США, занимающийся коммерческой добычей ресурсов на астероиде или других космических ресурсов, имеет право на любой полученный астероидный или другой космический ресурс, в том числе право владеть, перевозить, использовать и продавать его в соответствии с действующим законодательством, включая международные обязательства США».

В Европе юридическим центром зарождающейся индустрии стал Люксембург. В 2017-м здесь вступил в силу закон, легализующий собственность компаний на извлеченные ими космические ресурсы. Чтобы действовать в правовом поле, шахтеры небесных тел должны иметь офис в этой стране и получить письменное разрешение правительства.

Кто-то уже освоил горное дело на околоземных объектах?

Пока нет. Первые компании, разрабатывающие подобные технологии, появились совсем недавно:
2009 год — ARKYD Astronautics (в 2012-м переименована в Planetary Resources);
2010 год — Moon Express;
2013 год — Deep Space Industries (DSI).

Большинство космических миссий, нацеленных на разработку полезных ископаемых в космосе сегодня, — американские, европейские, японские, китайские, индийские.

Россия в 2025 году планирует запуск автоматической межпланетной станции «Фобос-Грунт 2», предназначенной для доставки на Землю образцов грунта с Фобоса — естественного спутника Марса.

Пока развитие отечественных технологий находится на уровне «заделов»: речь идет о наличии базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, необходимых для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

Когда появятся внеземные шахты

Драйверами индустрии называют снижение стоимости коммерческих космических запусков за счет использования многоразовых ракет, развитие фотоники и робототехники.

Количество международных патентных заявок растет (в 2008–2017 годах – с 124 до 339), новые технологии делают возможной добычу полезных ископаемых в космосе уже в ближайшие десятилетия.

Сразу несколько важных событий планируется на 2020 год:

запуск космических аппаратов Arkyd-301 (Planetary Resources, США) для подробной оценки рудоносности целевых астероидов и сбора информации о будущей разработке шахт;
создание роботизированной станции на Южном полюсе Луны для гелия-3 (Moon Express, США);
возвращение на Землю аппарата Hayabusa2 (JAXA, Япония) с образцами грунта астероида (162173) Рюгу.
В 2023 году ожидается доставка для исследования образца грунта с астероида (101955) Бенну (миссия NASA OSIRIS-REx, стартовавшая в 2016-м).
В 2026-м — плановое прибытие на астероид (16) Психея аппарата миссии Psyche (NASA, США).
2030-е — прогнозируется начало коммерческой добычи полезных ископаемых на Луне и астероидах.
2040-е — появление космических орбитальных фабрик.

Читайте также: