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 звездолеты? 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 четвертой — Галактики.
Необходимость больших скоростей для выхода за пределы земного тяготения показал еще Исаак Ньютон, но долгое время не существовало представления о том, как можно реализовать космический полет, ведь ученые 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 полета 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, легкостью 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 еще обеспеченных золотом) за фунт (0,454 кг). Произведя расчет, 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 легкие 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
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».
Как известно, в мае 1903 года калужский изобретатель Константин Циолковский опубликовал первую часть статьи «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой расчетом показал, что космические скорости можно развить ракетами на жидком топливе. Вторая часть вышла только в 1911 году, а дополнение к ней еще через три года. Из статьи видно, что Циолковского не слишком занимали вопросы космического материаловедения. Он был уверен: ракета дает такие преимущества перед другими способами достижения межпланетных пространств, что можно использовать любые материалы — к примеру, делать ее 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 полетов 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 полетов. Например, считалось, что главную опасность для пилотируемых кораблей будут представлять шальные астероиды и метеороиды. Хотя пионер американского ракетостроения Роберт Годдард еще 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 (еще и с атомными двигателями!) надолго вытеснили из романов о космосе какие-либо иные конструкции.
В то же время бурно развивающееся авиастроение все 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 четырех-пяти суток, становится более твердым 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 самолетов. Не обошел те вниманием и немецкий инженер Вернер фон Браун, руководивший постройкой баллистической ракеты дальнего действия
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 еще 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 удается 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
Специалистам также приходится учитывать воздействие космических потоков частиц (протонов, нейтронов и т.п. ) и электромагнитных волн (гамма-лучей, рентгеновских лучей и т.п. ).
Многофункциональные наноструктурированные покрытия — термобарьерные, износостойкие, коррозионностойкие — наносит 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 нем 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 протяженности 35 000 км оборвется 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 еще 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 счет низкой стоимости выводимого груза. Расчеты, впрочем, показывали, что ни один существующий материал не выдержит вес каната, поэтому писатель ввел фантастическое допущение: якобы через двести лет после начала космической эры на орбитальных заводах начнут в промышленных количествах производить нить из «псевдоодномерного алмазного кристалла».
Два столетия ждать не пришлось: в 2000 году американский физик Брэд Эдвардс провел соответствующее исследование и показал, что нить для лифта существует — ее можно изготавливать из однослойных углеродных нанотрубок, которые по своей прочности на два порядка превышают лучшие марки стали. И все 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. 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. Еще столько же придется 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. Все 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 ее 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 твердостью и термостойкостью, но имеет существенный недостаток — хрупкость. Повысить устойчивость материала к вибрации можно за счет 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 жесткости (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 емкостей.
В «Наноцентре композитов» (НЦК) (входит в инвестиционную сеть Фонда инфраструктурных и образовательных программ) 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 еще 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 все более доступными становятся технологии нетрадиционных производств, что обещает настоящую революцию в космической инженерии. Среди образцов для подражания называют двухступенчатую ракету-носитель «Электрон» (Electron) сверхлегкого класса, спроектированную сотрудниками американской компании Rocket Lab. Особый предмет их гордости — жидкостный двигатель «Резерфорд» (Rutherford), созданный способом
Достижения в области внедрения новых материалов дают основания утверждать, что ракеты и космические аппараты в ближайшей перспективе будут становиться более легкими, надежными, многофункциональными. Похоже, и фантастам пора менять стереотипы, отказываясь от шаблона громоздких посудин в пользу образа изящных стремительных конструкций, летящих среди звезд.
