Часть 4: Металлы вокруг нас

Глава 33: Космические технологии

Посмотрите в ночное небо. Каждая звездочка, которую вы видите - это гигантская космическая “фабрика” по производству металлов. В ядрах звезд при температурах в миллионы градусов рождаются все элементы тяжелее водорода и гелия. А когда звезды умирают во взрывах сверхновых, они разбрасывают эти металлы по Вселенной, создавая материал для планет и… космических кораблей. Космонавтика - это история о том, как металлы, рожденные в звездах, помогают нам вернуться к звездам.

Рождение космической эры

Первые шаги: металлы войны становятся мирными

Космическая эра началась не на космодроме, а в лабораториях военных инженеров. Первые ракеты были созданы как оружие, и металлы для них выбирались исходя из военных требований.

Фау-2 - первая настоящая ракета Немецкая ракета Фау-2, созданная командой Вернера фон Брауна, использовала:

Алюминиевые сплавы для корпуса (легкость и прочность)
Сталь для двигательной установки
Медь для системы охлаждения двигателя

Спутник-1 - первый искусственный спутник Советский спутник 1957 года был удивительно простым:

Алюминиево-магниевый сплав АМг6 для корпуса
Титан для антенн
Вес всего 83,6 кг

Человек в космосе

Восток-1 - корабль Гагарина Первый пилотируемый космический корабль требовал новых материалов:

Теплозащитный экран из стали с абляционным покрытием
Алюминиевые сплавы для корпуса
Титановые элементы конструкции

Экстремальные условия космоса

Космос предъявляет к материалам требования, с которыми не сталкивается ни одна земная отрасль.

Температурные экстремы

Проблема теплового режима В космосе нет воздуха для теплообмена. Объект может одновременно:

Нагреваться на солнце до +120°C
Охлаждаться в тени до -170°C
Испытывать резкие перепады при входе/выходе из тени

Требования к материалам:

Низкое тепловое расширение
Стабильность свойств в широком диапазоне температур
Эффективное излучение тепла

Вакуум и его последствия

Сублимация материалов В вакууме многие вещества начинают испаряться (сублимировать):

Цинк полностью испаряется за несколько лет
Кадмий становится непригодным для покрытий
Многие органические материалы разлагаются

Холодная сварка В вакууме чистые металлические поверхности могут свариваться при простом контакте без нагрева. Это создает проблемы для подвижных соединений.

Радиация

Космическая радиация включает:

Галактические космические лучи
Солнечные протоны
Электроны радиационных поясов Земли

Воздействие на металлы:

Распухание под действием нейтронов
Изменение механических свойств
Наведенная радиоактивность

Микрометеориты

Космический мусор и микрометеориты со скоростями до 70 км/с могут пробивать металлические листы толщиной в несколько миллиметров.

Ракетные двигатели: огонь и металл

Жидкостные ракетные двигатели

Камера сгорания Самый напряженный элемент ракеты работает при температуре 3000-3500°C и давлении 150-300 атмосфер.

Материалы:

Медные сплавы с регенеративным охлаждением
Ниобиевые сплавы для самых горячих участков
Рениевые покрытия для максимальной жаростойкости

Сопло Расширяющееся сопло испытывает огромные термические напряжения:

Вольфрам для критического сечения
Молибденовые сплавы для расширяющейся части
Углерод-углеродные композиты в современных двигателях

Твердотопливные двигатели

Корпус двигателя Должен выдерживать высокое давление при минимальном весе:

Титановые сплавы для многоразовых двигателей
Высокопрочные стали для одноразовых
Композитные материалы с металлическими вкладышами

Ионные двигатели

Современные межпланетные зонды используют ионные двигатели:

Молибденовые или вольфрамовые сетки для ускорения ионов
Титановые баки для ксенона
Танталовые катоды

Космические аппараты: дома вдали от дома

Корпус и конструкция

Алюминиевые сплавы Остаются основным конструкционным материалом:

Серия 2000 (Al-Cu) для высокой прочности
Серия 6000 (Al-Mg-Si) для сварных конструкций
Серия 7000 (Al-Zn) для максимальной прочности

Композиты с металлической матрицей

Алюминий, армированный углеродными волокнами
Магниевые сплавы с керамическими частицами
Титановые матричные композиты

Теплозащита

Многоразовые теплозащитные системы Space Shuttle использовал уникальную систему:

Кварцевые плитки на алюминиевой конструкции
Углерод-углеродные панели на носовой части
Коллоидальный кремний как покрытие

Абляционная защита Одноразовые системы для возвращаемых аппаратов:

Фенольные смолы с углеродными волокнами
Пробковые композиты
PICA-X (SpaceX) - современный материал

Спутники: металлы на орбите

Корпус спутника

Требования:

Минимальный вес
Жесткость конструкции
Электромагнитная экранировка
Теплорегулирование

Решения:

Алюминиевые соты для панелей
Магниевые сплавы для корпусов
Титановые кронштейны для крепления приборов

Солнечные батареи

Подложка

Алюминиевые или композитные панели
Стеклянные покрытия для защиты от радиации
Серебряные контакты для проводимости

Механизмы поворота

Бериллиевые шестерни (легкость и прочность)
Титановые оси
Золотые контакты скользящих соединений

Антенны

Рефлекторы

Углеродные или алюминиевые соты
Золотое или серебряное покрытие для проводимости
Молибденовые элементы жесткости

Раскрывающиеся антенны

Формозапоминающие сплавы для автоматического раскрытия
Титановые шарниры
Стальные пружины

Международная космическая станция: металлы в невесомости

Конструкция МКС

Основные модули

Алюминиевые сплавы серии 2000 для корпусов
Титановые сферы для стыковочных узлов
Нержавеющая сталь для систем жизнеобеспечения

Солнечные батареи

Алюминиевые рамы
Стальные механизмы поворота
Медные шины для передачи тока

Системы жизнеобеспечения

Атмосфера

Титановые баллоны для кислорода
Стальные фильтры CO2
Алюминиевые воздуховоды

Вода

Нержавеющая сталь для баков
Титановые трубопроводы
Серебряные ионизаторы для дезинфекции

Исследование планет: металлы в чужих мирах

Марсоходы

Персивирэнс (2021)

Алюминиевое шасси
Титановые колеса
Плутониевый радиоизотопный генератор
Золотые покрытия электроники

Задачи для материалов на Марсе:

Пыльные бури (абразив)
Перепады температур (-80°C до +20°C)
Разреженная атмосфера
Радиация

Зонды к внешним планетам

Вояджер (1977) До сих пор работает через 45 лет!

Алюминиевая конструкция
Золотые пластинки с посланием человечества
Плутониевые термоэлектрические генераторы

Кассини-Гюйгенс (Сатурн)

Титановая сфера для зонда Гюйгенс
Композитная конструкция основного аппарата
Рутениевые радиоизотопные источники

Будущие миссии: новые вызовы

Полеты на Марс

Межпланетный корабль Потребует новых материалов:

Радиационная защита - свинец, вольфрам, или водородосодержащие композиты
Многоразовые теплозащитные системы
Сверхлегкие конструкции для снижения массы

Посадка на Марс

Сверхзвуковые парашюты из высокопрочных волокон
Ретрореактивные двигатели многократного включения
Надувные тормозные системы

Лунная база

Строительные материалы на Луне

Лунный реголит как основа бетона
3D-печать конструкций из местных материалов
Извлечение металлов из лунной руды

Жизнеобеспечение

Электролиз воды для получения кислорода (титановые электроды)
Реакторы Сабатье для переработки CO2 (никелевые катализаторы)

Межзвездные полеты

Проект Breakthrough Starshot Микроспутники весом в граммы:

Графеновые паруса
Кремниевые чипы
Лазерное ускорение до 20% скорости света

Поколенческие корабли Для полетов к звездам потребуются:

Самовосстанавливающиеся материалы
Закрытые экологические системы
Ядерные или термоядерные двигатели

Космическое производство

Металлургия в невесомости

Преимущества невесомости:

Отсутствие конвекции и седиментации
Возможность получения идеальных сфер
Смешивание несмешиваемых металлов
Выращивание совершенных кристаллов

Эксперименты на МКС:

Выращивание кристаллов белков
Сплавы алюминия и свинца
Пены из металлических расплавов

Добыча астероидов

Цели:

Платиновые астероиды - источник драгоценных металлов
Железные астероиды - конструкционные материалы
Углеродные астероиды - вода и органика

Технологии:

Автономные добывающие роботы
Солнечные концентраторы для плавки
Электромагнитные ускорители для доставки материалов

Влияние космоса на земную металлургию

Новые технологии

Порошковая металлургия Разработанная для космоса, нашла применение на Земле:

Турбинные лопатки авиадвигателей
Медицинские имплантаты
Автомобильные детали

Сверхчистые материалы Требования космоса стимулировали развитие:

Получения металлов чистотой 99,9999%
Контроля примесей на уровне ppm
Новых методов очистки

Композитные материалы

Углепластики в автомобилестроении
Металломатричные композиты в электронике
Керамические матрицы в энергетике

Образование и наука

Микрогравитационные исследования Позволяют изучать:

Фазовые переходы в чистом виде
Кристаллизацию без примеси силы тяжести
Поведение расплавов без конвекции

Экологические аспекты

Космический мусор

Проблема:

Более 34 000 объектов размером больше 10 см на орбите
Миллионы фрагментов размером 1-10 см
Скорости столкновений до 17 км/с

Решения:

Самодеструктивные материалы для спутников
Увод отработавших аппаратов в атмосферу
Активная уборка орбит

Планетарная защита

Прямое загрязнение: Недопущение занесения земных микроорганизмов на другие планеты

Обратное загрязнение: Защита Земли от возможных внеземных форм жизни

Стерилизация материалов:

Термическая обработка
Радиационная стерилизация
Химические методы

Интересные факты

В космическом корабле “Аполлон” было использовано более 15 различных металлов
Зонд “Вояджер-1” удаляется от Солнца со скоростью 17 км/с уже более 45 лет
МКС весит около 420 тонн, из которых 80% составляют металлы
На производство одного килограмма материала для космоса тратится в среднем $10 000-50 000
Астероид Психея содержит металлов на сумму $10 000 квадриллионов
В невесомости можно создавать металлические пены плотностью в 100 раз меньше воды

Будущее космических материалов

Новые материалы

Метаматериалы

Отрицательный коэффициент преломления
Маскировка объектов
Сверхлегкие конструкции

Наноматериалы

Углеродные нанотрубки для космических лифтов
Графеновые покрытия
Наноструктурированные металлы

Биоматериалы

Самовосстанавливающиеся покрытия
Биологические фильтры
Органо-металлические гибриды

Технологии производства

3D-печать в космосе

Печать запчастей на орбите
Использование лунного и марсианского сырья
Печать крупных конструкций

Молекулярная сборка

Создание материалов атом за атомом
Программируемые свойства
Самособирающиеся структуры

Заключение

Космонавтика началась с простых алюминиевых корпусов и стальных двигателей, но сегодня использует практически всю периодическую таблицу. Каждый новый вызов космоса - будь то экстремальные температуры, радиация или невесомость - требует новых материалов и технологий.

Металлы в космосе работают в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле. Это заставляет ученых и инженеров постоянно искать новые решения, развивать новые технологии, создавать новые сплавы.

Парадокс космонавтики в том, что она использует самые передовые земные технологии для того, чтобы покинуть Землю. Но в то же время космические исследования дают толчок развитию новых материалов, которые затем находят применение в земной промышленности.

Сегодня мы стоим на пороге новой эры космических исследований. Частные компании делают космос более доступным, планируются полеты на Марс, обсуждается добыча полезных ископаемых на астероидах. Все это потребует новых материалов, новых технологий, новых подходов к использованию металлов.

Возможно, будущие космические корабли будут построены не из земных материалов, а из металлов, добытых на астероидах и переработанных на орбитальных заводах. Возможно, мы научимся выращивать идеальные кристаллы в невесомости и создавать материалы с невозможными на Земле свойствами.

Но одно остается неизменным: космос продолжает быть самым суровым испытанием для материалов, созданных человеком. И в этом испытании металлы, рожденные в недрах звезд, помогают нам вернуться к звездам.