Нанотехнологии в космосе
В космосе бушует революция. 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.
Молодые 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.).
Источник
Исследовательская работа по физике «Развитие нанотехнологий в космосе»
МБОУ СОШ № 1 города Чаплыгина в селе Ломовое
Исследовательская работа по физике
«Развитие нанотехнологий в космосе»
Руководитель:
учитель физики Трускова С.Ю.
2020ГОД
Оглавление
Глава1 Перспективы нанотехнологий в космосе стр.4
Глава 2. Идеи стр.5
Список литературы стр.7
Введение
Вступление.
Актуальность Большинство школьников слышало о нанотехнологиях, но никогда с ними напрямую не работало. В то же время, это достаточно доступный и интересный объект для исследований, затрагивающий не только важные вехи развития науки и техники, но и имеющий большое перспективное применение в области космических исследований.
Объект исследования – космос
Цель исследования – изучение применения нанотехнологий в области космических исследований
Методические подходы: освоение понятия «космический лифт», «нанотрубки», «наноткань».
Методы исследования:
1. Изучение специальной литературы.
2. Обобщение и систематизация материала по данной теме.
Еще с давних времен люди начали думать над вопросами «Что такое космос?Есть ли жизнь на других планетах ? Миллионы сверкающих звёзд, блуждающие среди них планеты, возможность полёта в открытый космос, выход в него человека – всё поражает воображение. Термин «КОСМОС», перешедший в современную науку от древних греков, является, по существу, синонимом Вселенной. Греческое слово «космос» означает «строй, порядок, мир, Вселенная». Начиная с VI в. до н. э. древние греки характеризовали этим словом Вселенную как стройную, организованную систему, противопоставляя ее хаосу — беспорядочному нагромождению материи.
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.
Традиционный способ доставки грузов на орбиту очень дорог. Например, перевозка одного килограмма на шаттле, по оценке НАСА, стоит примерно 22 тысячи долларов. На российской одноразовой ракете-носителе «Протон» стоимость ниже: по некоторым оценкам, она составляет от одной до четырёх с половиной тысяч за килограмм. Но и это тоже недёшево.
Освоение космоса тормозит именно дороговизна ракетных стартов. Позволить их себе могут лишь крупные государства и считанные мегакорпорации, нашедшие способ извлекать из присутствия на орбите прибыль. Поэтому учёные начали разрабатывать новые средства передвижения на основе нанотехнологий.
Что же сейчас понимают под нанотехнологиями? В сферу этой деятельности попадают объекты с размерами (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами.
01 Отчасти нанотехнологии уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической деятельности в развитых странах. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся в настоящее время ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства.
Современные приложения нанотехнологий включают:
создание высокопрочных нанокристаллических и аморфных материалов, негорючих нанокомпозитов на полимерной основе;
элементы наноэлектроники и нанофотоники, полупроводниковые, транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, сенсоры и др., тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
02. Нанонаука — совокупность знаний о свойствах вещества в нанометровом* масштабе;
наноматериалы ‑ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
нанотехнология – умение целенаправленно создавать объекты (с заранее заданными составом, размерами и структурой) в диапазоне приблизительно 1-100 нм
Федеральное Агентство по науке и инновациям в «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года» ————————————-
«Нанотехнология — совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении,
и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов».
03 Для того чтобы выйти в космическое пространство, не обязательны опасное путешествие на ракете, хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег. Исследователи предлагают использовать «Космический лифт».
1.Космический лифт- один из космических проектов, для изготовления которого применяется одно из уникальных современных технических разработок- наноматериал.
Подробнее поговорим об этом проекте.
Косми́ческий лифт — замысел астроинженерного сооружения по выведению грузов на планетарную орбиту или даже за её пределы. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова. Гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции находящейся на ГСО. Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей.
Трос удерживается одним концом на поверхности планеты (Земли), а другим — в неподвижной над планетой точке выше геостационарной орбиты (ГСО) за счёт центробежной силы. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли.
2.Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.
Основание космического лифта — это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне.
Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей.
Для сравнения, прочность прочнейших видов стали — не более 5 ГПа. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Прочность алмазных волокон может быть немногим выше.
3. Космический лифт не может работать как обычный лифт (с движущимися тросами), поскольку толщина его троса непостоянна. Большинство проектов предлагает использовать подъёмник, забирающийся вверх по неподвижному тросу, хотя предлагались также варианты использования небольших сегментированных подвижных тросов, протянутых вдоль основного троса.
Предлагаются различные способы конструкции подъёмников. На плоских тросах можно использовать пары роликов, держащихся за счёт силы трения. Другие варианты — движущиеся спицы с крючками на пластинах, ролики с выдвижными крючками, магнитная левитация (маловероятна, поскольку на тросе придётся закреплять громоздкие пути) и пр.
4. Противовес может быть создан двумя способами — путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант пользуется большей популярностью в последнее время, поскольку его легче осуществить, а кроме того, с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.
При движении подъёмника вверх лифт наклоняется на 1 градус, поскольку верхняя часть лифта движется вокруг Земли быстрее, чем нижняя (эффект Кориолиса). Масштаб не сохранен
5. На конце башни высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно, чтобы покинуть гравитационное поле Земли и запустить корабли к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части башни, его скорости хватит, чтобы покинуть Солнечную систему. Это произойдет за счёт перехода суммарного углового момента башни (и Земли) в скорость запущенного объекта.
Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.
6. Строительство должно вестись с геостационарной станции. Это единственное место, где может причалить космический аппарат. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, — в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть подняты на геостационарную орбиту традиционным способом, независимо от места назначения груза. То есть, стоимость подъёма всего космического лифта на геостационарную орбиту — минимальная цена проекта.
7. Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов может быть недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к большему разнообразию грузов. Таким же образом оправдывает себя прочая транспортная инфраструктура — шоссе и железные дороги.
8. В США с 2005 года проводятся ежегодные соревнования Space Elevator Games, организованные фондом Spaceward при поддержке NASA. В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».
В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса — 100 м, минимальная скорость — 2 м/с). Лучший результат 2007 года — преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.
Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составлял 4 миллиона долларов.
В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 грамм, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.
В целом применение нанотехнологий в авиации и космосе дают широкий ряд возможностей для прорыва в науке. Многие научные разработки уже давно применяются в этих областях и приносят отличные результаты. Но остается ряд задач, реализация которых на данном этапе сталкивается с множеством проблем. Например, такая как, космический лифт, но мы уверены что многочисленные труды ученых сделают и эту задачу реальной, что принесет большую выгоду обществу.
орбиты (ГСО) за счёт центробежной силы. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы
Источник