Пять стихий: космос

      Комментарии к записи Пять стихий: космос отключены

Пять стихий: космос

Отечественный пятый материал в цикле «Пять стихий», что N+1 осуществляет совместно с НИТУ «МИСиС», следовало бы, по примеру средневековой натурфилософии, посвятить эфиру. Древние мыслители полагали, что эта среда, в которой распространяется свет от Солнца, заполняет собой пространство высоко над поверхностью Почвы. Но мы живем не в средние века а также не в десятнадцатом веке, в то время, когда известный опыт Майкельсона-Морли опроверг существование эфира.

Исходя из этого мы знаем, что над нами находится не какой-то в том месте эфир, а самый настоящий космический вакуум, в котором редкая частица коснется творения материаловеда.

Но, было бы неточностью вычислять, что в космосе неестественным материаламничего не угрожает, в отличие от трения о воздушное пространство либо почву, коррозии вводе либо сгорания в огне. Как мы знаем, при разработке материалов для космических судов нужно учитывать огромное количество факторов. Во-первых, в открытом космосе не работает охлаждение методом передачи тепла: в том месте попросту нет частиц, каковые имели возможность бы уносить с собой тепло.

Вследствие этого поверхность Интернациональной космической станции (МКС), которая находится на том же расстоянии от Солнца, что и Почва, раскаляется до много градусов Цельсия. Во-вторых, в космическом пространстве присутствует большое количество высокоэнергетических частиц и ионизирующее излучение — в случае если объекты на Земле от их действия выручает воздух, то в космосе они способны создавать недостатки в материалах и нарушать их структуру. Ко мне же возможно отнести намного более редкие микрометеороиды: сравнительно не так давно столкновение с миллиметровой песчинкой покинуло40-сантиметровую вмятину на спутнике Sentinel-1A европейской программы.

  • Пять стихий: вода
  • Пять стихий: пламя
  • Пять стихий: воздушное пространство
  • Пять стихий: почва

В-третьих, необходимо помнить, что в вакууме многие материалы начинают испаряться — по аналогии с тем, как вода закипает при меньших температурах вразреженном высокогорном воздухе. Ну и, в-четвертых, нельзя забывать о том, что чем тяжелее аппарат, что мы собираются доставить на орбиту, тем дороже нам обойдется его запуск. Совокупность всех этих факторов ставит перед материаловедами сложную задачу.

Которая, но, удачно решается — практически в прошедшем сезоне человечество достигло ранее неисследованных пределов Нашей системы (речь заходит о Плутоне), а около Почвы летает около тысячи активных спутников. Разглядим по порядку, с чем было нужно столкнуться экспертам.

Теплоизоляция

Потребность в теплоизоляции космического аппарата появляется еще перед тем, как он окажется в космосе. Головной обтекатель ракеты-носителя, поднимающейся в плотных слоях воздуха, раскаляется до нескольких тысяч градусов Цельсия из-за трения о воздушное пространство. Срок его работы — всего 5–6 мин. (347 секунд для «Протона-М»), но все это время он обязан снабжать совершенную аэродинамику ракеты.

Придать обтекателю огнеупорность возможно посредством керамических плиток: к примеру, керамика на базе оксида циркония либо карбидов выдерживает действия температур в три тысячи градусов Цельсия. Но керамические плитки — хрупкие изделия, талантливые повредиться из-за расширения и резкого нагрева. Исходя из этого базу современных головных обтекателей составляют композитные материалы, стеклопластики и углепластики.

Кроме большей упругости, они еще и значительно легче железных либо керамических плит. На многослойные кожухи из этих материалов дополнительно наносят теплозащитные покрытия (возможно,керамические).

Головные обтекатели «Протон-М». Pavel Kolotilov / Wikimedia Commons

Как ни необычно, кроме того по окончании выхода в космос аппарат нужно защищать от перегрева. Отдавать поглощенное тепло от Солнца в вакууме возможно единственным методом, испуская его в виде микроволнового излучения. Нарушение этого процесса недопустимо.

Так, как раз перегрев вызвал поломку «Лунохода-2» — предпоследнего лунного аппарата, опустившегося на поверхность спутника Почвы в 1973 году. Маленькое количество грунта попало на радиатор лунохода инарушило его тепловой баланс, по окончании чего 4-месячная миссия устройства прервалась.

Специально для защиты от перегрева аппараты оборачивают отражающей (металлизированной) либо белой полимерной пленкой. Время от времени, к примеру, при телескопа «Джеймс Уэбб», из материала создают особый защитный «зонтик», всецело перекрывающий доступ солнечного света к аппарату.

Защита солнечных батарей

Исходя из правил высокой эффективности при минимальном весе, солнечные батареи космических аппаратов также отличаются от наземных. Это многослойные элементы, напоминающие собой сандвич, любой компонент которого трудится со своей частью спектра.

Несложная солнечная батарея складывается из пары слоев полупроводников, покрытых сеткой железных контактов.Дабы фотон, упавший на фотоэлемент, стал источником тока, он обязан поднять энергию одного из электронов материала и перенести его на другой энергетический уровень. Энергия, которая для этого требуется, у каждого материала собственная, и в случае если фотоны «не дотягивают» до этого уровня, то никакого тока в элементе не появится. Исходя из этого любая пара полупроводников действенно трудится в собственном участке спектра.

Мысль многокаскадных батарей пребывает в том, дабы сделать в устройства сходу пара пар полупроводников,расположенных приятель над втором, охватывающих более широкую область спектра.Такие элементы на практике имеют эффективность более 30 процентов, что близко к теоретическому, не достигнутому до тех пор пока максимуму кремниевых солнечных батарей.

на данный момент традиционно употребляется сандвич, складывающийся из трех каскадов: индий-галий-фосфорного,арсенидно-галиевого и германиевого. Кстати, он лучшекремниевого выдерживает бомбардировку ионизирующим излучением. Дело в том, что обстоятельства понижения КПД батареи в космосе связаны с происхождением недостатков в материале, появляющихся благодаря таковой бомбардировки. С ними возможно бороться интересным методом — иногда отжигая солнечную батарею, разогревая ее до 400градусов Цельсия.

Правда, пока на практике данный способ воплощен не был.

Радиационная защита 

Самой громадной проблемой для бортовых компьютеров космических аппаратов являются повреждения памяти либо процессоров ионизирующим излучением. Попадание высокоэнергетичного фотона может свободно отключить один либо пара транзисторов в управляющей схеме, а это угрожает отключением всего устройства. Казалось бы, обезопасить схему управления возможно, поместив ее вовнутрь свинцового коробки, но в этот самый момент не все так легко.

Материал коробки сам по себе станет источником вторичного излучения, которое при частиц высоких энергий хватит ощутимым.

Исходя из этого бороться с радиацией приходится скорее не столько посредством новых материалов, сколько методом верного построения логики процессора. В радиационно-защищенных микросхемах, кроме особого напыления,любая логическая цепочка дублируется три и более раз. В следствии, в случае если сбой все-таки случился, компьютер выбирает итог расчета, что предложило громаднейшее количество логических цепей.

Дублирование доходит до того, что в американском марсоходе «Кьюриосити», к примеру, стоят два аналогичных радиационно-защищенных бортовых компьютера. Отсутствие должной защиты ведет к авариям: к примеру,из-за сбоя в электронике, связанного с попаданием тяжелой высокоэнергетичной частицы, упала русский автоматическая межпланетная станция «Фобос-Грунт». Время от времени ионизирующее излучение играется, напротив,хорошую роль.

К примеру, зависший бортовой компьютер частного космического аппарата LightSail-1 спасла перезагрузка, делаемая при попадании частиц высокой энергии.

Среди огромного спектра неприятностей, каковые мешают осуществимости проекта российского предпринимателя Юрия Мильнера Breakthrough Starshot (полет к АльфеЦентавра), радиационная деградация электроники стоит не на последнем месте. Несколько дней назад специалисты из корейского KAIST предложилидля нее ответ — новый тип транзисторов. Устройства будут раз в пара лет выключаться и самостоятельно себя отжигать, восстанавливая собственную структуру. 

Самый легкий двигатель

Один из самых необыкновенных способов передвижения в космическом пространстве — солнечные паруса. Это многометровые зеркала, снабжающие тягу аппарата за счет давления солнечного света. Почувствовать это давление на Земле непросто — на идеально отражающее зеркало площадью в один квадратный метр будет функционировать давление от солнечного света, эквивалентное весу в один миллиграмм. Но в космосе для того чтобы давления достаточно для того, чтобы придавать аппарату ускорение.

Дополнительный бонус — отсутствие потребности забирать горючее.

Но как вывести в космос зеркало для того чтобы громадного размера? Последние проекты, среди них и летавший в прошедшем сезоне аппарат LightSail-1, применяли узкую — всего 4,5 микрона толщиной — полимерную пленку, покрытую слоем металла. Данный материал именуется майлар.

Парус LightSail-1, имея площадь в 32 квадратных метра, весил всего около 200 грамм. На орбиту его доставили в сложенном состоянии, по окончании чего он развернулся посредством особой совокупности.

В базе майлара лежит полиэтилентерефталат — из этого же материала делают пластиковые бутылки для газировки. Для повышения упругости полимер текстурируют, частично кристаллизуя. После этого, способом осаждения из пара на ПЭТ наносят узкий слой алюминия либо золота, что и играет роль зеркала.

Японский космический зонд IKAROS глазами живописца. Andrzej Mirecki / Wikimedia Commons

Источники энергии

В дальнем космосе не так много возможностей добыть энергию для работы совокупностей космического аппарата. Солнечные батареи, увы, не панацея — самый далекий аппарат, приобретающий энергию от Солнца, это американская автоматическая межпланетная станция «Юнона», находящаяся на орбите Юпитера. Чтобы она приобретала достаточное количество энергии, инженеры прикрепили к ней батареи неспециализированной площадью 60 квадратных метров (больше, чем средняя квартира-«однушка»).

Более далекие миссии — к Сатурну и вторым внешним планетам, к Плутону и в пояс Койпера — применяют в качестве «батарейки» радиоизотопные термоэлектрические генераторы, либо, сокращенно, РИТЭГи.

В этих устройств находится тепловыделяющая сборка из радиоактивного вещества. В миссиях «Вояджеров», «Кассини», New Horizons, «Галилео» и других употреблялся, в виде оксида, плутоний-238. Тепло выделяется из-за альфа-распада плутония: тёплые альфа-частицы передают собственную кинетическую энергию материалу и разогревают его.

Электричество появляется благодаря термоэлектрическим генераторам, преобразующим разность температур РИТЭГа и внешней среды в электричество. С позиций материаловедения, в базе этих генераторов лежат контакты двух разнородных материалов, напоминающие термопары; по большей части для этого употребляются пары кремний-германий.

Срок судьбы РИТЭГов напрямую определяется периодом полураспада радиоактивного материала и скоростью деградации термопар. В случае если 40 лет назад мощность батарей «Вояджеров» составляла 470 ватт, то к 2013 году она упала до 260 ватт (наряду с этим израсходовалось менее 30 процентов плутония). Ожидается, что к 2025 году их мощности уже будет не хватает для поддержания связи аппаратов с Почвой.

На переднем замысле — РИТЭГ, использованный миссией «Аполлон-14». На заднем фоне — ALSEP, обычный набор устройств, каковые размещали миссии на Луне. Справа виден Lunar Ranging Retro Reflector, прибор для измерения правильного расстояния от Земли до Луны. Alan Shepard / NASA

Существует еще один тип радиоизотопных источников — так именуемые бета-вольтаические элементы. О них нам поведал Александр Быков,кандидат технических наук, сотрудник кафедры Материаловедения полупроводников иди электриков НИТУ «МИСиС». «В космосе имеется неприятность теплоотвода. В бета-вольтаических элементах вы приобретаете ток напрямую из распадов».

По словам Быкова, выделяют три типа таких элементов: «Имеется генераторы прямой отдачи. В этом случае вы собираете лишь тот ток, что появляется из бета распада. Изотоп отдает электрон, приобретает хороший заряд,отрицательный заряд вы собираете на каком-то коллекторе.

Получается батарейка,трудящаяся лишь на токе распада. Имеется полупроводниковые генераторы. В них деятельный изотоп «намазывают»на полупроводник, и в то время, когда электрон вылетает, то в полупроводнике появляется пара сотен (и возможно тысяч) электрон-дырочных пар.

Они расходятся в p-n переходе (как в обычных солнечных батареях), и вы приобретаете трудящуюся батарейку. Третий тип — механоэлектрические генераторы. Это то, чем мы занимаемся. Это в то время, когда у вас имеется подвижный элемент, консоль, что заряжается положительно из-забета-распада. Коллектор наряду с этим заряжается отрицательно. Под действием кулоновских сил они притягиваются, касаются и релаксируют.

Появляются колебания типа биений,энергия которых снимается посредством пьезоэлементов».

Неприятность деградации не обходит бета-вольтаические элементы.Полупроводниковые материалы деградируют под действием излучения — кремний стремительнее, арсенид галлия медленнее. Но, как утверждает ученый, в механоэлектрических генераторах деградацию возможно обойти, поместив раздельно изотопный источник и раздельно преобразователь. Но, мощность РИТЭГов бета-вольтаическим генераторам не превзойти.

****

Космическое материаловедение думается оторванным от земных задач. Однако, его результаты широко применяются на Земле. К примеру, еще недавно РИТЭГи (действительно, стронциевые) снабжали электропитание заполярных маяков — в сумме таких устройств было создано более тысячи.

Космическая гонка XX века послужила толчком для поиска новых сплавов, многие из которых на данный момент используются для того чтобы повседневного пользования. К примеру, нитинол, металл с памятью формы, восстанавливающий деформации при нагреве, был создан для потребностей ракетной техники. на данный момент он отыскал использование в ортодонтии — из него делают проволочные дуги для брекетов.

Радиационная защита используется в оборудовании АЭС и есть нужным элементом в военной технике. Космические солнечные батареи, не обращая внимания на их дороговизну, пробуют приспособить к наземным применениям (в большинстве случаев, применяя концентрирующие линзы), а керамическая теплоизоляция употребляется как пассивная защита от расплавления ядерных реакторов.

Да и в целом современная судьба во многом зависит от космической индустрии. Благодаря совокупности глобального позиционирования у нас имеется навигаторы, спутники снабжают сообщение с самыми удаленными областями мира (впредь до полюсов Почвы), показывают телевизионные сигналы и разрешают оперативно приобретать снимки мест происшествий. 

Создатель: Владимир Королёв

ТОП5 СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: