Углеродные нанотрубки

2

Нанотехнология – это создание и использование устройств, материалов и технических систем, принцип работы которых определяется наноструктурой, то есть упорядоченными частицами размером от 1 до 100 нм.

     Задачи, применение:

• Позволит радикально улучшить массогабаритные характеристики космических аппаратов
• Продлить сроки их пребывания на тех или иных орбитах
• Решить проблемы энергообеспечения функционирования космических аппаратов

Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы: использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны.

 

3

Наноспутники - Малые космические аппараты используются для дистанционного зондирования Земли (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. Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии.), экологического мониторинга, прогноза землетрясений, исследования ионосферы.

1. Наноматериалы, позволяющие на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. 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.
2. Новое перспективное направление применения наноспутников – использование их в качестве базовой платформы для проведения экспериментов в области нанотехнологий, испытаний нанокомпонентов и материалов.

4

Выведение наноспутников на орбиту. Сейчас осуществляются кластерные запуски «малышей» на больших ракетах-носителях, но этот способ имеет свои недостатки.

Первый отечественный наноспутник — ТНС-0 — запустил на орбиту в 2005 году Селижан Шарипов, работая на МКС, — он просто выбросил его рукой в космос. Наноспутник весом 5 кг сконструировали в НИИ космического приборостроения. Аппарат ТНС-0 представлял собой цилиндр с радиоаппаратурой внутри, который питался от обычной литиевой батареи, поэтому прослужил на орбите всего 2,5 месяца.

5

Сейчас готово второе поколение ТНС, которые будут работать от солнечных батарей, что значительно продлевает срок их активного существования . 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.

Каждый наноспутник решает свою узкую задачу.

Одна модель будут отрабатывать технологии управления аппаратом через телекоммуникационные сети.

Другая — вместе исследовать ионосферу.

Четвертая — экспериментировать с микродвигательными установками, которые придадут наноспутникам маневренность.

 

 

 

 

 

6

Проблема: Никак не удается совместить жесткие требования безопасности полетов с экономической целесообразностью. Требуют вовсе отказаться от пилотируемых полетов, поскольку они-де неоправданно дороги и сопровождаются неизбежными человеческими жертвами.

Решение: Единственной реалистичной альтернативой ракетной технике из всех придуманных за последние полвека является космический лифт — мост или канат, протянутый с поверхности Земли на орбиту.

КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геостационарной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы" для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции.

7

Сверхпрочная лента из нанотрубок и нанотрубка, покрытая белками-маркерами. Они прочнее стали в 100 раз и, теоретически, в 3-5 раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта.

Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволят уменьшить вес современных космических аппаратов почти вдвое. Исследователи из:

    Однако первые  успехи в области сверхпрочных  материалов из нанотрубок уже  достигнуты. Две различные команды  исследователей из США и Австралии  создали прозрачную ткань, состоящую  из нанотрубок длиной 1 м и шириной 5 см.

 

 

 

 

 

 

8

Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность на разрыв, как и длинные. Правда, исследователи из LiftPort утверждают, что лента будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. Для ленты космического лифта алмазоид был бы универсальным материалом. Он будет характеризоваться большей прочностью, но, опять-таки, пока нет эффективных способов получения и массового производства алмазоидных материалов.

 

 

 

 

Однослойная углеродная нанотрубка                                                                Алмазоид

Изготовление нанотрубок

Исходный материал - нанотрубки - обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент - тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.  
    Ученые признают, что создан лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет - она не сильно отличается от прочности традиционных волокон.

9

Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.

    Атмосфера Земли  содержит регионы разного заряда, которые все время находятся  в движении. Они могут дать  разность потенциалов, но только  на малых дистанциях. Когда идет  гроза и перемещение зарядов  затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния  повредит ленту лифта, но как  было сказано выше, конструкторы  постараются так выбрать место  расположения базовой станции, чтобы  исключить возможность грозы. Базовая  станция будет расположена на  корабле, поэтому лифт будет обладать "мобильностью", и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.

    Заряды, связанные  с космической плазмой, могут  собираться на верхней станции  лифта. Но ток, провоцируемый ими  настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.

    При пересечении  магнитных полей проводником, в  нем производится электрический  ток. В нашем случае лента неподвижна  по отношению к магнитному  полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте будет  очень мал. поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современный телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.

Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли (Low Earth Orbit - LEO) будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем, необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра. Разработка такой системы входит в план исследований компании LiftPort. Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре. Как говорят специалисты из LiftPort, это просто невозможно реализовать.

 «Не так давно мы писали о том, что японская корпорация Obayashi планирует уже в 2050 возить жителей Земли на орбиту с помощью космического лифта. Космический лифт — вполне реальное, но пока трудновыполнимое техническое решение — сможет решить вопрос относительно простой доставки грузов и пассажиров на высоту 36 000 километров. Космический лифт корпорации Obayashi будет доставлять людей на высоту 36 0000 километров за 7,5 дней, то есть в точку, откуда любое космическое путешествие сможет начаться без реактивного старта с преодолением первой космической скорости. Если амбициозные планы японской компании воплотятся в реальности, уже в 2050 году первые японцы отправятся в космос на лифте. Устройство будет отвозить путников со скоростью 200 км/ч на высоту 36 000 километров за неделю. Машина на 30 пассажиров будет скользить вдоль кабеля, вероятно, используя магнитные линейные двигатели в качестве двигательного средства.» от 2013г.

«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 на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 граммов, 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 этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату, натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. В августе-сентябре 2012 г компания запустила проект по сбору средств на новые эксперименты с подъемником на сайте Kickstarter. В зависимости от собранной суммы планируется подъем робота на 2 или более километров[10].

 

В LiftPort Group также заявляли о готовности построить экспериментальный космический лифт на Луне, на базе уже существующих технологий. Президент компании Майкл Лэйн утверждает, что на создание такого лифта может уйти восемь лет. Внимание к проекту заставило компанию поставить новую цель — подготовку проекта и сбор дополнительных средств на начало технико-экономического обоснования так называемого «лунного лифта». По словам Лэйна, сооружение такого лифта займет один год и обойдется в 3 миллиона долларов. На проект LiftGroup уже обратили внимание специалисты NASA. Майкл Лэйн сотрудничал с космическим ведомством США, работая над проектом космического лифта.

 

На соревнованиях Space Elevator Games с 4 по 6 ноября 2009 года прошло состязание, организованное Spaceward Foundation и NASA, в Южной Калифорнии, на территории центра Драйдена (Dryden Flight Research Center), в границах знаменитой авиабазы Эдвардс. Зачётная длина троса составила 900 метров, трос был поднят при помощи вертолёта. Лидерство заняла компания LaserMotive представившая подъёмник со скоростью 3,95 м/с, что очень близко к требуемой скорости. Всю длину троса лифт преодолел за 3 минуты 49 секунд, на себе лифт нес полезную нагрузку 0,4 кг.[11].

 

В августе 2010 года компания LaserMotive провела демонстрацию своего последнего изобретения на AUVSI Unmanned Systems Conference в Денвере, штат Колорадо. Новый вид лазера поможет более экономично передавать энергию на большие расстояния, лазер потребляет всего несколько ватт.[12][13]

 

В феврале 2012 года строительная корпорация «Обаяши» (Япония) объявила о планах по созданию космического лифта к 2050 году посредством использования углеродных нанотрубок.[14]»

11 
Защита от наледи

Сверхгидрофобные покрытия:

• тончайшие пленки по структуре поверхности напоминают бороздчатые листья лотоса, благодаря массе микроскопических бороздок уменьшается площадь поверхности, к которой могут пристать молекулы воды

Покрытия из кремнийорганической смолы. С наночастицами кремния (20 нанометров-20 микрометров). Наносятся на алюминиевые пластинки. Конструкции обливаются сильно переохлажденной водой (-20 C)