Химическая технология освоения космоса

Химическая технология освоения космоса

Запуск долговременных орбитальных космических станций положил начало новому виду производственной деятельности — промышленной космонавтике. И чем шире будет осваиваться космос, тем больше будут нужны монтажные или ремонтные работы непосредственно в космосе. В будущем, вероятно, монтаж крупногабаритных космических аппаратов будет осуществляться на орбите. Вот почему первым технологическим экспериментом в космосе, выполненным летчика-ми-космонавтами Г. С. Шониным и В. Н. Кубасовым в 1969 г. на корабле «Союз-6», была сварка металлов. Эксперимент включал последовательную сварку образцов из различных материалов плазменной дугой, дугой с плавящимся электродом и электронным лучом, а также разделительную резку металла электронным лучом. Специалистов интересовало, как повлияют на эти виды работ особые условия космоса, как в условиях невесомости поведут себя капли расплава, как будут происходить теплообмен, кристаллизация расплава и т. д. Ответы на эти вопросы были очень важны для разработки методов заварки пробоин или трещин (рис. 21), сборки металлических конструкций из доставленных с Земли блоков.
На станции «Салют-4» в 1975 г. был проведен другой технологический эксперимент. Так как за три недели работы солнечного телескопа на поверхности его зеркала осело заметное количество солнечной пыли, от чего снижалась эффективность работы телескопа, исследователи напылили новый отражающий слой. Космический вакуум в качестве среды обеспечил равномерность напыления. Этот эксперимент показал, что крупные оптические телескопы можно эксплуатировать в космосе длительное время.
Если приведенные примеры касались таких работ, в которых могла возникнуть необходимость в космосе, то космическая технология использует также особые условия космического полета (невесомость, глубокий вакуум, очень низкие температуры «в тени») специально для выполнения каких-то технологических операций, которые в космосе могут быть сделаны лучше, чем на Земле. Иными словами, это работа на нужды земной технологии.
Для современной техники требуются некоторые материалы, состав которых должен выдерживаться исключительно точно и быть одинаковым во всем объеме образца. Они применяются в электронике (полупроводники), лазерной технике, оптике, металлургии (некоторые специальные сплавы) и т. д. На поверхности Земли сила тяжести препятствует равномерному распределению компонентов, искажает структуру кристалла. В космическом инерционном полете, при отсутствии тяжести, ученые надеются получить гораздо более однородные материалы кристаллизацией из расплава или спеканием компонентов. В невесомости можно вырастить кристаллы практически любых нужных размеров, тогда как на Земле качество крупных кристаллов ограничено действием силы тяжести. Космические кристаллы отличаются от земных даже по внешней форм-ме: у них хорошо выражены те грани, которые у кристаллов, выращенных в земных лабораториях, развиты обычно плохо. Крупные монокристаллы строго контролируемого состава, полученные в невесомости, найдут, по мнению специалистов, применение в вычислительных устройствах, спутниковых системах связи, энергетике, радио- и телевизионной технике и т. д.
Для современных оптических приборов требуются специальные стекла строго определенного состава и с равномерным распределением компонентов. На станции «Салют-6» был проведен эксперимент: плавка стекломассы бес тигельным способом, исключающая ее контакт с материалом сосуда и не загрязняемая им. Именно невесомость создает условия для проведения такой плавки. Специалисты рассчитывают на возможность получения бес тигельным способом стекол, керамики, металлов такой чистоты, которой в наземных условиях нельзя достигнуть.
На станции «Салют-6» с использованием установок «Кристалл» и «Сплав-01», предназначенных для проведения направленной кристаллизации и получения разнообразных полупроводниковых и композиционных материалов в условиях невесомости и глубокого вакуума, были изучены многие сплавы: германий — сурьма — сера, кадмий — ртуть — теллур, кадмий — ртуть — селен, висмут — сурьма — свинец — теллур, арсенид и антимонид галлия и т. д. Такие материалы могут быть использованы в качестве полупроводниковых. Эксперименты проводились одновременно на Земле и в космосе, а результаты затем сравнивались.
Опыты на станции «Салют-6» по приготовлению в космосе пеноалюминия вспениванием металла с помощью гидрида титана — вещества, легко отделяющего водород при нагревании, дали очень ценный материал о влиянии невесомости на металлургические и кристаллохимические процессы. Космонавты исследовали также возможность получения в условиях космоса конструкций из пенополиуретана.
Неоднократно проводились эксперименты по нанесению различных пленок и покрытий на разнообразные материалы, в чем заинтересована оптическая и электронная промышленность. Специалисты считают, что качество «космических» покрытии выше, чем «земных.
Также спецификой литья металлов в космосе, возможностью получения шариков и роликов для подшипников, сложных материалов — композитов.
Д. Кизим, В. А. Соловьев, О. Ю. Атьков в течение 236 суток космической командировки в 1984 г. провели разноплановые исследования на борту комплекса «Салют-7» — «Союз Т-11», выполнили сложные эксперименты в открытом пространстве. Работы велись по многим направлениям, в том числе по материаловедению и технологии: изучение процессов массопереноса и теплопереноса в жидкостях и состояния конструкционных материалов после их пребывания в открытом космосе; очищение биологически активных веществ и лекарств. Например, космонавт О. Ю. Атьков на установке «Геном» проводил эксперимент по разделению тяжелых фрагментов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — материала наследственности. Этот опыт важен для методов генной инженерии, которые в недалеком будущем будут применять в условиях космоса.
В. А. Джанибеков, С. Е. Савицкая и И. П. Волк, посетившие орбитальный комплекс «Салют-7» — «Союз Т-11», провели несколько важных технологических опытов по получению сверхчистых вакцин, белковых препаратов, нуклеиновых кислот. В невесомости более успешно осуществляется электрофорез — метод разделения частиц под воздействием внешнего электрического поля, при котором космические образцы получаются в 20 раз чище земных. В этом полете был очищен интерферон — препарат, повышающий защиту организма от инфекций, выделен сверхчистый препарат, необходимый для изготовления высокоэффективных антигриппозных вакцин и сывороток.
Сейчас ученые пришли к выводу, что возникает новая научно-техническая дисциплина — космическое материаловедение и технология. Она будет основываться на других дисциплинах, в частности на физике невесомости. Ее задачами являются разработка конструкций специальных технологических установок для производства в космосе, определение оптимальных условий изготовления уникальных материалов с высокой технико-экономической эффективностью.
Создание транспортных космических кораблей для доставки на орбиту и возвращения на поверхность Земли как персонала так и необходимых материалов и изделии из них позволяет все шире развертывать исследования в области космического материаловедения. Постепенно опытно-промышленного производства уникальных материал в космосе. На первых порах это будут материалы, годовая потребность которых сравнительно невелика до десятков килограммов. Но постепенно, по мере создания более дешевых в эксплуатации транспортных космических кораблей многоразового пользования, общая масса производимых материалов будет исчисляться тоннами.
По мнению специалистов, уже в ближайшие годы на орбитах вокруг Земли будут смонтированы лаборатории, цехи и целые заводы по производству кристаллов, оптики, вакцин, композиционных материалов. Это позволит выйти на качественно новый уровень промышленного производства. И важную роль в создании технологии будущего будут играть химики.

Источник

Реферат на тему: «Роль химии в освоении космоса»

В данной работе раскрыта роль химии в освоении космоса.

Скачать:

Предварительный просмотр:

1. Перспективы использования алюминия в космической отрасли.
2. Титан и его сплавы в ракетостроении.
3. Полимерные композиционные материалы в ракетостроении.
4. Горючие металлы.
5. Космический цех полупроводников.

Пятьдесят лет назад, 12 апреля 1961 года, космонавт Юрий Гагарин вознёсся в небеса с бодрым криком «Поехали!», став первым человеком в Космосе. Стартовав тем солнечным утром на корабле «Восток 1» в 9 часов 6 минут из Казахстана, двадцатисемилетний сын плотника за 108 минут облетел вокруг Земли, катапультировался и удачно приземлился на парашюте в Саратовской области.

Полёт Гагарина, импульсом к которому было намерение утвердить технологическое превосходство над Соединёнными Штатами, стал одним из самых значительных достижений XX века. Это короткое по времени, но эпохальное по масштабам посягательство на небеса вдохновило миллионы людей Земли, а разгоревшаяся космическая гонка между мощнейшими державами подспудно вела к взаимному уничтожению.

Алексей Леонов, ещё один из двадцатки первого отряда советских космонавтов, считает: «Это самое лучшее соревнование в Космосе, которое когда-либо осуществляло человечество. «Лунная гонка» между СССР и США — достижение высочайших вершин науки и техники». И в этой космической гонке не последнюю роль сыграла наука химия. Созданные учеными-химиками конструкционные материалы, сверхмощное горючее, точнейшие приборы, инструменты и устройства обеспечивают работу космических кораблей и орбитальных станций. Поэтому цель данной работы: Раскрыть роль химии в освоении космоса.

1. Перспективы использования алюминия в космической отрасли

Алюминий — один из космических «первопроходцев»: конструкторы первых спутников даже не задавались вопросом, какой именно металл использовать в конструкции своих аппаратов. Легкий и прочный алюминий — точнее, «самолетные сплавы», стали постоянными «участниками» космических проектов. Около половины веса современной ракеты приходится на алюминиевые конструкции, а шаттлы почти на 90% состоят из алюминиевых сплавов.

Неудивительно, что разработка новых технологий в обработке алюминия, усиление его показателей стойкости к высоким и низким температурам, вибрационным нагрузкам и воздействию радиации сегодня представляет собой не просто приоритетное, а стратегическое направление в металлургии. На сегодняшний день перспективы применения алюминия в космической отрасли связывают, прежде всего, с появлением новых сплавов, позволяющих снизить вес ракет, кораблей и станций, что, в свою очередь, обеспечит значительное сокращение топливных расходов при выводе агрегатов на орбиту и значительно расширит функциональность космических объектов.

Основная тенденция в области разработок космических материалов — создание гранулированных алюминиевых сплавов, которые обеспечивают практически тридцатипроцентное снижение веса узловых конструкций. Расширяется и диапазон рабочих температур — до 850 °С. За последние несколько лет было разработано несколько таких сплавов: специалисты объединяют их в класс интерметаллидов — это, как правило, сплавы титана, причем наиболее перспективными считаются варианты «титан-алюминий». Кроме титановых сплавов в ракетостроении применяются варианты «никель-алюминий» и «железо-хром-алюминий».

Однако есть и более интересные идеи по усилению свойств «ракетного» алюминия. Например, корейские исследователи, применив нанотехнологии, разработали так называемый «умный» алюминий — Smart Aluminum. Название, безусловно, спорно, однако все остальные характеристики нового материала сомнений не вызывают: пословам разработчиков, новый сплав в три раза прочнее обычных «космических» вариантов и примерно в сто раз прочнее стали. Ноу-хау корейцев — использование в алюминиевом сплаве углеродных нанотрубок. Выход первых изделий из нано-алюминия планируется к концу 2008 года, но уже сейчас ведущие мировые космические организации проявляют интерес к новому материалу, предрекая ему большое будущее.

1. Титан и его сплавы в ракетостроении

Титановые сплавы являются одним из наиболее прочных конструкционных материалов, уступая по этому показателю только сплавам на основе бериллия. При этом они отличаются пластичностью, стойкостью к износу и истиранию. Они способны выдерживать воздействие некоторых активных кислот, а также солей и гидроксидов. Кроме того, титановые сплавы обладают стойкостью к воздействию высоких температур, что способствует их использованию в качестве сырья для изготовления деталей реактивных двигателей в авиа- и ракетостроении.

Титановые сплавы широко использовались в пилотируемых ракетных комплексах «Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», а также в более поздних космических системах — «Энергия» и орбитальном корабле «Буран».

Основными объектами применения титана являются твердотопливные и жидкостные ракетные двигатели, обшивки, корпуса пороховых двигателей, трубчатые конструкции стыковых отсеков, агрегаты различного назначения, в частности газовые баллоны высокого давления, детали крепления и др.
Основными требованиями, предъявляемыми к титановым сплавам в этих конструкциях, являются высокая удельная прочность, а в некоторых случаях — низкая хладноломкость, высокая упругость паров в глубоком вакууме и др. В ракетостроении используется практически вся номенклатура конструкционных титановых сплавов.

Титан используют для изготовления баллонов, в которых длительное время под давлением могут находиться различные газы. Например, в американских ракетах типа «Атлас» сферические резервуары для хранения сжатых газов сделаны из титана. Из титановых сплавов изготавливают и баки для окислителя ракетного топлива — жидкого кислорода.
Удивительное свойство титановых сплавов с никелем — способность «запоминать» свою форму. Проволока из такого материала может быть использована для изготовления радиоантенны или каркаса солнечной батареи космического корабля. На холоду это изделие можно сжать в небольшой шар. А при нагревании материал «вспоминает» свою первоначальную форму и разворачивается в то изделие, которое было изготовленно вначале.

1. Полимерные композиционные материалы в ракетостроении

Современная ракетно-космическая техника немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность.

Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию. Типичными примерами такой конструкции являются жидкостнаяракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе получается посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации.

При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом.

При использовании современных композитных материалов были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, покрываемой слоем теплозащитного материала, который, испаряясь при высоких температурах, охлаждает конструкцию.

Еще один яркий пример использования композитных материалов — орбитальный космический корабль «Шаттл», способный летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями (более 5 Мах или 6000 км/ч). Крылья аппарата имеют многолонжеронный каркас; усиленный монокок кабины экипажа, как и крылья, изготовлен из алюминиевого сплава. Двери грузового отсека выполнены из графито-эпоксидного композиционного материала. Теплозащиту аппарата обеспечивают несколько тысяч легких керамических плиток, которыми покрывают части поверхности, подверженные воздействию больших тепловых потоков.

Для космической станции «Альфа», созданной в соответствии с российско-американскойпрограммой, многие элементы конструкции изготавливались из композиционных материалов: высокопрочные штанги ферм, панели солнечных батарей, сосуды давления, «сухие» отсеки, рефлекторы и т. п.

В ракетно-космической технике успешно применяются легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением. Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей, аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для летчиков и космонавтов.

В настоящее время широко используются в авиации и ракетостроении углепластики. Углеродные волокна и композиционные материалы из них имеют глубокий черный цвет и хорошо проводят электричество, что обеспечивает специальные свойства. Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, так как графит — это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самолетов, космических кораблей многоразового действия «Шаттл». Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет.

Чтобы преодолеть силы земного тяготения и вырваться в космические просторы, необходимо затратить много энергии. Ракета, которая вывела на орбиту корабль-спутник с первым в мире космонавтом Юрием Гагариным, имела шесть двигателей общей мощностью 20 миллионов лошадиных сил!
Естественно, что выбор ракетного топлива представляет собой проблему исключительной важности. Пока наиболее эффективным горючим считается керосин , окисляемый жидким кислородом. Теплотворность этого топлива составляет 9600 кДж/кг.

Хорошие перспективы может иметь применение металлического горючего. Теорию и методику использования металлов в качестве топлива для ракетных двигателей разработали советские ученые Юрий Васильевич Кондратюк (настоящие имя и фамилия — Александр Игнатьевич Шаргей) (1897-1942) и Фридрих Артурович Цандер (1887-1933) — ученые-изобретатели, пионеры отечественной ракетной техники.
Одним из наиболее подходящих для этой цели металлов является литий . При сгорании 1 килограмма этого металла выделяется почти 43000 кДж! Большей теплотворностью может похвастать лишь бериллий. В США опубликованы патенты на твердое ракетное топливо, содержащее 51- 68% металлического лития.

Любопытно, что в процессе работы ракетных двигателей литий выступает против. лития. Являясь компонентом горючего, он позволяет развивать колоссальные температуры, а обладающие высокой термостойкостью и жароупорностью литиевые керамические материалы, используемые как покрытия сопел и камер сгорания, предохраняют их от разрушительного действия горючего.

При сгорании алюминия в кислороде или фторе тоже отмечается высокое тепловыделение. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета «Сатурн» сжигает за время полета 36 т алюминиевого порошка!

1. Космический цех полупроводников

Важнейшая область применения редкого металла индия — производство полупроводников. Индий высокой чистоты необходим для изготовления германиевых выпрямителей и усилителей: он выступает при этом в роли примеси, обеспечивающей дырочную проводимость в германии. Кстати, сам индий, используемый для этой цели, практически не содержит примесей: выражаясь языком химиков, его чистота — «шесть девяток», т. е. 99,9999%!
Соединения индия с серой, селеном, сурьмой, фосфором и сами являются полупроводниками. Их применяют для изготовления термоэлементов и других приборов. Соединение индия с сурьмой, которое технологи называют «антимонид индия», служит основой инфракрасных детекторов , способных «видеть» в темноте нагретые предметы. Индий оказался одним из немногих химических элементов, «командированных» в космос, чтобы вписать новые страницы в технологию неорганических материалов.

В 1975 году, незадолго до начала совместного советско-американского космического полета по программе «Союз»- «Аполлон», командиры экипажей Алексей Архипович Леонов и Томас Стаффорд в беседе с корреспондентом ТАСС высказали свое мнение о значении предстоящих экспериментов на орбите.

В частности, они затронули вопрос о технологических опытах по плавке металлов и выращиванию кристаллов различных веществ. » Предстоит выяснить возможность использования невесомости и вакуума для получения новых материалов — металлических и полупроводниковых , — сказал А. Леонов. По мнению советских и американских ученых, в космосе можно сплавлять компоненты, не смешиваемые на Земле, создавать жаропрочные материалы. «

» Наши астронавты , — добавил Т. Стаффорд, — на борту орбитальной станции «Скайлэб» проводили опыты по выращиванию кристаллов антимонида индия. Удалось получить кристалл самый чистый и самый прочный из всех, когда-либо искусственно полученных на Земле «.

А в 1978-1980 годах на борту советской орбитальной научной станции «Салют-6» были проведены новые технологические эксперименты, в которых «участвовали» индий и его соединения.

Таким образом, без усилий многочисленных ученых-химиков, технологов, инженеров-химиков не были бы созданы удивительные конструкционные материалы, которые позволяют космическим кораблям преодолеть земное притяжение, сверхмощное горючее, помогающее двигателям развить необходимую мощность, точнейшие приборы, инструменты и устройства, которые обеспечивают работу космических орбитальных станций.

Можно привести еще множество других примеров того, как используются в космической отрасли достижения науки химии, что является бесспорным подтверждением важнейшего значения этой науки в освоении космоса.

Источник