Применение нанотехнологий в космосе
Применение нанотехнологий в космической технике является одним из наиболее важных и перспективных направлений.
Достаточно масштабное применение нанотехнологий в космической технике позволит радикально улучшить массогабаритные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на тех или иных орбитах, решить проблемы энергообеспечения функционирования этих аппаратов.
Безусловно, развитие нанотехнологий стало еще одним масштабным проектом России, устремленным в будущее. По словам академика РАН Андрея Кокошина, именно использование наноматериалов, наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны.
В частности, речь идет об использовании покрытий из наночастиц диоксида кремния для солнечных батарей. Такие нанопокрытия оптически прозрачны и одновременно «отталкивают» любые загрязняющие вещества. Перспективными для космической техники станут наноматериалы, обладающие одновременно высокими твердостью, прочностью и пластичностью, что недостижимо в материалах, построенных из «обычных» макрочастиц.
Образцы теплозащитных и износостойких покрытий, нанесенных с помощью плазменно-кластерной технологии. Метод позволяет создавать многослойные наноструктурированные имплантированные покрытия для широкого спектра применений. К примеру, нанесение многослойных наноструктурированных теплозащитных покрытий, в которых в качестве основных теплозащитных слоев используются слои из оксида циркония, позволят увеличить импульс тяги ракетного двигателя из-за отказа от пристеночной завесы охлаждения в камере сгорания. Это приведет к увеличению массы полезного груза, выводимого на орбиту, примерно на 100-200 кг, что даст экономический эффект 15-30 млн. руб. за 1 запуск.
Вступление в третье тысячелетие совпало с новым этапом развития технологий миниатюрных космических аппаратов – микро- и наноспутников. Период единичных прорывных результатов и первых удачных опытов создания малоразмерных спутников уже позади, настало время заняться планомерной разработкой штатных космических систем на базе сверхмалых космических аппаратов. Малые космические аппараты уже активно используются для дистанционного зондирования Земли, экологического мониторинга, прогноза землетрясений, исследования ионосферы.
Если в 90-е годы прошлого века созданием миниатюрных космических аппаратов занимались, главным образом, университеты и небольшие частные компании, то в 2000-х годах к подобными разработками активно и успешно подключились крупные корпорации.
Новое перспективное направление применения наноспутников – использование их в качестве базовой платформы для проведения экспериментов в области нанотехнологий, испытаний нанокомпонентов и материалов.
Возможные применения наноматериалов в космической отрасли
Основная сегодняшняя задача – уменьшение массы, габаритов и энергетических характеристик микро- и наноспутников (аппараты весом менее 10 кг). Другая проблема – выведение наноспутников на орбиту. Сейчас осуществляются кластерные запуски «малышей» на больших ракетах-носителях, но этот способ имеет свои недостатки. «Хотелось бы иметь специальное ракетное средство для их выведения», - сказал Арнольд Селиванов.
В рамках VII Московского авиакосмического салона прошла научно-практическая конференция "Проблемы миниатюризации и использования высоких технологий в авиационной и космической технике".
Россия почти не занималась проблемами миниатюризации своих космических аппаратов (КА). Причина довольно банальна - мы имели и имеем очень мощные ракеты-носители, и ужимать все до предела было невыгодно из-за больших затрат на разработку новых сверхминиатюрных и наноприборов и последующее налаживание их мелкосерийного или штучного выпуска. Но другие страны, обладающие менее мощными носителями или вообще их не имеющие, вынуждены были пойти по пути миниатюризации КА. Контракт на изготовление микроспутников массой до 20 кг и запуск их в космос "легкой" ракетой в качестве дополнительной нагрузки обходится в сумму менее 5 млн. долл., в то время как весь цикл, от изготовления до вывода на геостационарную орбиту тяжелого спутника, стоит от 100 до 500 млн. долл.
Еще один важный момент: система наноспутников 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 наноспутников. 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 из ЦНИИмаша 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%.
В 35 странах уже есть государственные программы финансирования нанотехнологий.
Традиционно среди основных заказчиков специализированных спутников выступают военные. Такая система (она может применяться, скажем, при разведке на поле боя или в деятельности МЧС) действует как единый объект, осуществляющий передачу информации по запросу на землю в режиме реального времени. Однако здесь возникает задача наземной обработки огромных массивов информации. Решить ее можно с помощью спутников, способных по запросу с Земли фильтровать и перерабатывать ее на борту.
Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание КА 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), суммарный объем, которого оценивается в 3 млрд. долл. На этот рынок уже устремились фирмы США, Канады, Франции и других стран. России также надо не упустить его.
В качестве кандидатов в средства выведения миниатюрных космических аппаратов рассматриваются авиационно-космический комплекс на базе самолета МИГ-3, на базе оперативно-тактических ракет (ОТР «Искандер»), а также ракеты-носители легкого класса типа «Штиль-2.1» (разработка Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева»), пуск которой производится из шахт подводных лодок. Однако стоимость выведения спутников с помощью таких сверхлегких ракет-носителей пока слишком высока.
Привычные мечты о неограниченной космической экспансии человечества столкнулись в последние годы с кризисом (или, точнее сказать, стагнацией) в технологиях доставки в космос грузов и людей. Никак не удается совместить жесткие требования безопасности полетов с экономической целесообразностью. Самые горячие головы даже требуют вовсе отказаться от пилотируемых полетов, поскольку они-де неоправданно дороги и сопровождаются неизбежными человеческими жертвами. Единственной реалистичной альтернативой ракетной технике из всех придуманных за последние полвека является космический лифт — мост или канат, протянутый с поверхности Земли на орбиту.
Спутник на низкой орбите может двигаться со скоростью около 8 км/с и делать один виток вокруг Земли за 1,5 часа. Но чем выше мы поднимаемся над Землей, тем слабее гравитация, тем медленнее движение спутника, тем больше требуется времени на то, чтобы он облетел всю планету. На высоте 35 786 км над экватором период обращения спутника сравнивается с периодом вращения Земли — это так называемая геостационарная орбита. Выведенное на такую орбиту тело неподвижно зависает над одной точкой на земной поверхности. Если протянуть к нему очень длинный и прочный канат, то можно будет взбираться до неба и спускаться назад без использования дорогостоящих и опасных ракет.
Конечно, сам вес этой «привязи» будет тянуть такую конструкцию к Земле. Поэтому его необходимо компенсировать, пробросив канат еще дальше в космос и закрепив на дальнем конце противовес. Обращаясь вокруг Земли, как камень, вложенный в пращу, он будет обеспечивать устойчивое натяжение всей связке.
У Земли основание каната можно прикрепить, например, к очень высокой башне или к плавучей океанской платформе. У каждого такого варианта есть свои преимущества: башня может спасти от изменчивости неспокойных нижних слоев атмосферы, а океанская платформа позволит совершать маневры уклонения, если ураган или гроза будут создавать опасность для нашей привязи. Но крепление троса в нижней части в любом случае не должно быть жестким, чтобы он не лопнул при возникновении колебаний.
С самого появления идеи космического лифта было ясно, что имеющиеся в распоряжении человека материалы не выдержат безумных нагрузок, которые испытает «паутинка», спущенная из космоса. Согласно полученным уравнениям, толщина оптимальной привязи по мере удаления от Земли сперва экспоненциально растет, затем на высоте двух-трех земных радиусов, по мере того, как силу земного притяжения компенсирует центробежная сила, рост толщины замедляется, и наконец вблизи геостационарной орбиты толщина становится постоянной.
Ключевой вопрос технологии космического лифта: насколько толстым станет канат в верхней точке. Расчеты показывают, что его толщина фантастически сильно зависит от свойств материала — его прочности и плотности. Если использовать обычную сталь (плотность 7,8 г/см3 , усилие на разрыв 2 гигапаскаля, что соответствует давлению 20 тысяч атмосфер), то расчетная толщина превысит видимые размеры Вселенной, что попросту лишает расчет физического смысла. Даже из лучших марок стали (5 ГПа) построить космический лифт совершенно нереально. Но если в несколько раз поднять прочность и снизить плотность материала, результат меняется кардинально.