Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 121
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Компьютерный практикум и ИТ (МИФИ) » Конспекты (курсы КП и ПК)

«Нанотехнологии и наноматериалы в космической технике»




Аннотация



 



          Данный конспект посвящён нанотехнологиям и наноматериалам в космической технике, перспективам, применениям наноматериалов в космических проектах.В конспекте: 22 страницы, 1 таблица,13 иллюстраций.



Ключевые слова: нанотехнологии, наноматериалы, космос, космическая техника, нанотрубки, бортовое оборудование, космические аппараты.



 



Глоссарий



 



Нанотехнология –совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы си большего масштаба[3].



Нанотехнология решает задачи создания самих нанообъектов, материалов на их основе, называемых наноструктурированными материалами или просто наноматериалами, и законченных изделий, в составе которых используются наноматериалы[2].



Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров[1] (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины[2]), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена[4].



Aerospike- Клиновозду́шный ракетный двигатель



TRIPS-Thermal, Radiation, Impact Protective Shield



ГКЛ-галактические космические лучи



СКЛ-солнечные космические лучи



             



Оглавление





1.    Введение. 5



2.    Программы и перспективы.. 6



3.    Наноматериалы космической техники. 9



3.1.  Металлы и сплавы.. 9



3.2.  Нанокомпозиты и нанокерамики. 9



3.3.  Наноразмерные биологические и биоподобные материалы.. 11



4.      Элементы бортового оборудованиякосмических аппаратов. 12



4.1.  Элементы наноэлектроники. 12



4.2.   Наносенсоры.. 14



4.3.   Наноэлектромеханические системы.. 15



4.3.   Высокоэффективные элементы систем энергоснабжения космических аппаратов. 16



4.3.1.Топливные элементы.. 16



4.3.2.Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках и углеродных нанотрубках. 17



5.       Применение наноматериалов в перспективных космических проектах. 17



5.1.   Новые космические корабли многоразового использования. 18



5.2.    Солнечные космические электростанции. 18



5.3.    Космический лифт. 19



5.4.    Создание обитаемых баз на Луне. 20



5.5.    Исследование планет Солнечной системы.. 21



6.      Заключение. 22



7.      Список литературы.. 23



 




 




1.Введение



 



Данная область науки появилась не так давно, но ее перспективы достаточно многообещающими. Нанотехнологии используются во всех сферах деятельности человека. Бороздить космическое пространство человечество начало еще в 1957г., в те времена на борту космических аппаратов (КА) была ламповая техника.



В 1959г. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера[5].



С тех времен освоение микро и нанотехнологий стало одним из основным направление развития технологий, а развитие нанотехнологий в космической отрасли принимает большие обороты.



Основной проблемой освоения космоса является проблематичность отправки КА с большой массой, поэтому уменьшение размеров и массы электрорадиоэлементов (ЭРЭ).




 



2.Программы и перспективы



 



В США под эгидой NASAбыла разработана программа развития нанотехнологий и создания наноматериалов для аэрокосмической техники. Структура этой программы представленана рис. 1.





Рис. 1. Программа развития нанотехнологийNASA



Ее основными разделами, которые показаны в нижней части рисунка, являются наноматериаллы, элементы бортовой электроники, сенсоры различного назначения и нанокомпненты оборудования КА. В верхней части рисунка указаны возможности, открываемые применением новых материалов и элементов, при этом на начальных этапах, завершение которых планируется к 2011 г., достижения связываются в основном с применение многофункциональных материалов, а в дальнейшем – с применение интеллектуальных материалов и биосистем.















Рисунок 2. Структура финансирования программы NASAв 2002г.





Рис. 2. Показывает соотношение капиталовложений NASA в различные разделы программы и фундаментальные исследования в области нанотехнологий по состоянию на 2002 г. Видно что большая часть средств направлена на создание элементов наноэлектроники для бортовых систем КА.



С учетом быстрого развития нанотехнологий и изменения представлений о возможностях их использования в космических исследованиях приведённая на рис. 1программа была скорректирована в 2004 г. В этой программе можно выделить шесть основных направлении развития нанотехнологий:




  • Микро/нано/пикоспутникиаппараты для межпланетных полетов, орбитальные и спускаемые аппараты;

  • Наноматериалыконструкционные, функциональные, интеллектуальные;

  • Наносенсоры и аппаратура мониторинг окружающей среды, контроль состояния аппарата;

  • Системы контроля здоровья экипажа персональный мониторинг, биомедицинские исследования, медицинские процедуры;

  • Наноробототехникапереключающие и управляющие устройства, наномеханизмы, молекулярные системы;

  • Нано-микро-макро интеграция сенсоры, элементы электроники, аппаратура, системы управления.



При этом в качестве важнейших перспективных задач, для решения которых необходимо использование нанотехнологий, указываются:




  • Увеличение удельных размеров конструкции для изготовления антенн диаметром более 25-50 м, солнечных батарей и т.п.;

  • Повышение в 10-100 раз удельной прочности материалов для новых систем запуска КА, обитаемых космических сооружений и д.р.;

  • Расширение функциональных возможностей устройств при минимизации массы и потребляемой энергии для создания систем квантовых сенсоров, биохимических «лабораторий на чипе», малых КА;

  • Повышение уровня удельного информационного обеспечения и уровня «интеллекта систем КА для организации автономного медицинского обслуживания экипажей и создания комплексных развивающихся космических систем.













Рисунок 3. Схема развития космических нанотехнологийсогласно прогнозу европейских экспертов.





Европейские исследователи также уделяют значительное внимание анализу возможных направлений развития космических нанотехнологий. Одним из вариантов подобных прогностических оценок показан на рис. 3. В целом представленная картина развития космических нанотехнологий схожа с рассмотренной программой США, хотя ее структура несколько иная. Европейские исследователи в качестве наиболее важных направлений работ в области нанотехнологий для аэрокосмической отрасли выделяют приводимые ниже:



 




  • Многоцелевые конструкционные и функциональные материалы, включая интеллектуальные материалы;

  • Элементы наноэлектроники;

  • Материалы и изделиядля систем энергообеспечения КА;

  • Оборудование КА и научная аппаратура с использованием наносенсоров

  • Системы обеспечения жизнедеятельности;

  • Перспективные космические проекты, реализуемые с помощью нанотехнологий.



Оценки российских специалистов достигнутого уровня и перспектив развития нанотехнологийдля космической отрасли охватывают, как и рассмотренные выше программы, вопросы создания на основе наноструктур принципиально новых конструкционных и функциональных материалов, защитных покрытий, элементов электронных систем КА, источников электроэнергии, сенсоров, высокопроизводительных бортовых компьютеров и интеллектуальных систем на их основе.



При проведении оценок отмечается, что нанотехнологии имеют первостепенное значение для создания сверхмалых КА и перспективных космических систем. При этом указываются следующие важные продукты нанотехнологий:



 




  • Квантовые электронные малошумящие усилители, позволяющие повысить помехоустойчивость систем связи и увеличить дальность их действия;

  • Сверхширокополосные оптические приемники, работающие без охлаждения;

  • Градиентные концентраторы, значительно увеличивающие эффективность солнечных батарей;

  • Высокопроизводительные бортовые системы обработки информации на основе молекулярной электроники;

  • Сенсорные устройства с высокой чувствительностью и селекивностью



Работы по созданию нанотехнологий и наноматериалов для космической отрасли включены в Федеральную целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы» и в «Федеральную космическую программу»[1].



3.Наноматериалы космической техники



 



В космической отрасли найдут применение практически все основные виды наномматериалов, создаваемых для различных областей науки и техники. Но многие материалы разрабатываются специально для решения тех или иных задач, возникающих при конструировании КА. Рассмотрим подробнее различные возможности применения наноматериалов в космической технике[1].



 



3.1.Металлы и сплавы



 



AL (Алюминий), Mg (Магний), Ti (Титан) – Одни из немногий материалов, которые используют в качестве изготовления корпусов и несущих ферм КА, а так же элементов ракетных двигателей.



Тугоплавкие металлы Nb, Ta, Mo, W, температура плавления которых равна 2500-3400⁰С, эти сплавы необходимы для изготовления деталей и узлов, работающих при очень высоких температурах. Beсчитается привлекательным материалом ля использования в космической технике, он легок, прочен, и имеет высокую теплоёмкость и его характеристики остаются практически неизменными в широком интервале температур[1].



 



3.2.Нанокомпозиты и нанокерамики



 



Композиционные материалы (композиты) состоят из нескольких материалов разных видов. Свойства композитов определяются химическим составом их компонентов, распределением в объеме и взаимной ориентацией компонентов, их размерами. При этом композиция всегда приобретает новые свойства, не присущие каждой из ее составляющих в отдельности.



По структуре композиты делятся на три группы:




  • Матричные, в которых один из компонентов является матрицей, а другие – включениями в эту матрицу, которые называют наполнителями;

  • Каркасные – компоненты которых представляют собой жесткие монолиты;

  • Однокомпонентные поликристаллы, состоящие из анизотропных структурных элементов одинакового состава с различной ориентацией главных осей анизотропии.



Керамика относится к поликристаллическим материалам, ее получают спеканием неметаллических порошков. Различные виды керамики можно использовать как в качестве исполнителя композитов.



Полимеры ( эпоксидные смолы, нейлон, полиимид и др.), металлы и спавы, углеродные материалы и различные керамики используются в качестве матрицы, а роль наполнителей – углеродные нанотрубки, фуллерены, графеновые ленты, металлические и неметаллические и неметаллические наночастицы, нановолокна и нанопленки.













Рисунок 4.Образцы нанокомпозитов.





На рис. 4 показаны образцы композитов, в одном из которых матрицей является сплав NiAl, а наполнителем служат зерна WC диаметром около 1 нм(а), в другом де в качестве матрицы используются полистирол, а в качестве наполнителя – графеновые ленты (б).



 



Композиты разделяют на два вида: нанокомпозиты и нано- нанокомпозиты. К первым относят композиты, в которых используются наноразмерные включения, но матрица не является наноструктурированной, а ко вторым – имеющие помимо нановключенийнаноструктурированную матрицу.



Применение наноразмерных элементов для создания композитов позволяет существенно улучшить их свойства. Свойства компонентов композита складываются элементов с размерами, лежащими в микродиапозоне, а при переходе в нанодиапозон происходит их умножение за счет более сильного взаимодействия включений с матрицей и между собой.



Путем варьирования сочетаний матриц и наполнителейнанокомпозитами можно придавать самые различные свойства, что делает их пригодными для применения в качестве как конструкционных, так и функциональных материалов.



В ближайшем будущем нанокомпозиты и нанокерамики, найдут широкое применение при создании КА, постепенно заменяя многие элементы конструкции, изготавливаемыеиз металлических материалов.Одним из важнейших направленийих применения является создание покрытий, выполняющих различные функции:механическую и радиационную защиту, тепловую защиту при входе в атмосферу и обеспечение требуемоготеплового режима КА в полете, придание поверхности КА необходимых оптических и электрических характеристик и т.д.[1].



 



3.3.Наноразмерные биологические и биоподобные материалы



 



Нанотнхнологииоткрывают возможность не только подражания живой природе, но и непосредственного использования таких объектов в качестве элементов наноматериалов и наносистем на ряду с неорганическими элементами. Так молекула ДНК человека представляет собой двойную наноцепь, свернутую в спираль диаметром 2 нм с шагом 3,4 нм. Простые белки (протеины) которые строятся только из аминокислот, являются наночастицами с размерами от 4 до 50 нм.



При синтезе подобных комбинаций во многих случаях предполагается использование принципа самосборки, а при их применение – эффекта молекулярного распознования. Путем упорядочения в процессе самосборкиорганических наноэлементов на неорганической подложке можно создавать биосенсоры,биочипыдля использования в наноэлектронике, нанокомпозиты, атакже придавать поверхности подложки принципиально новые свойства.



Перспективным направлением является создание с помощьюнанотехнологий материалов и систем, имитирующих биологические объекты и использующих принципы их функционирования(biomimeticmaterialsandbioinspiredsystems). Такие материалы исистемы могут строиться только на основе неорганических элементов или с применением биологических объектов, причем приих создании также могут реализовываться процессы самосборки.



Известно, что в живой природе при построении костей реализуется процесс биоминерализации, который заключается в последовательном сорбировании неорганических кальцийсодержащихсоединений мягкими живыми тканями с их последующим преобразованием в костные структуры, состоящие из нанокристалловдиаметром около 5 нм и длиной 20–200 нм. Для имитации подобных процессов используются технологии создания многослойных наноструктур путем осаждения слоев в электролитахили с помощью напыления. Чрезвычайно важная для космических конструкций функция самовосстановления или самоизлечения (self-healing) может осуществляться также путем введенияв материалы коллоидных растворов, содержащих наночастицы.



Подобный принцип устранения механических повреждений был ранее реализован в лабораторныхусловиях путем введения в материал стеклянных трубочек диаметром 60 мкм, заполненных раздельно жидкостями, которыепри смешивании вследствие разрушения трубочек в зоне повреждения быстро затвердевают.



Самовосстанавливающиеся материалы и структуры, способные быстро устранять глубокие кратеры и сквозные отверстия,очень нужны для защиты КА от ударного воздействия твердыхчастиц естественного и искусственного происхождения. Тонкиеэластичные материалы, обладающие такими свойствами, найдутприменение при создании космических скафандров. Подобныематериалы могут использоваться также для изготовления защитной одежды космонавтов или наноситься непосредственно натело (так называемая «вторая кожа»)[1].



Одним из методов от ударных воздействий является применение эластичны оболочек, заполненных множеством наночастиц жидкостью, которая при ударении затвердевает. На основе таких структур разработаны бронежилеты. Препятствием для использования подобных систем в качестве защитных экранов КА пока является достаточно длительноевремя (10−4–10−3 с) перехода жидкости в твердое состояние[1].



 



4.Элементы бортового оборудования космических аппаратов



4.1.Элементы наноэлектроники



 



Размеры кремниевых интегральных микросхем изготавливаемых традиционными методами литографии могут менее 50 нм, такие объекты попадают в категорию наноразмерных объектов.













Рисунок 5.Изогнутая УНТ (а) и схема диода на ееоснове (б).





Тип проводимости УНТ определяется ориентацией их продолной оси относительно шестиугольных ячеек, образующих поверхность трубок. УНТ по типу проводимости могут относиться к металлам или полупроводникам. В первом случае проводимость УНТ может быть приблизительно на 3 порядка выше, чем у меди, а во втором проводимость сильно зависит от воздействующего на трубку поперечного электрического поля. Эти свойства УНТ делают их удобными для создания диодов и транзисторов.



 



Простейший диод на основе УНТ можно представить в виде двух соединённых нанотрубок с различным типом проводимости. Как показано на Рис. 5(а) одно из возможных построения диодов на УНТ заключается в использовании изогнутой трубки, состоящей из двух частей с различности углами хиральности. К конца трубки прикладывается электрическое напряжение через металлические контакты, как показано на Рис. 5(б). Такое сочетание трубок с металлической и полупроводниковой проводимостью образует типичный для диодных структур гетеропереход «металл-полупроводник».



При создании диода на УНТ, трубка помещается между двумя металлическими контактами, изолированными с помощью оксидного слоя от проводящей подложки, которая выполняет роль затвора как в обычном, так и в полевом транзисторе. Так как поперечное электрическое поле, воздействующее на УНТ, можно варьировать в широких пределах ток, протекающей через трубку. Такие транзисторы могут использоваться как в аналоговых, так и в цифровых схемах.













Рисунок 6.Разветвленые УНТ: Y-образная (а) и T-образная (б).





Развитие технологий изготовления УНТ позволило получить Yи T-образные трубки.



Такие структуры представляют собой фактически готовые полевые транзисторы. Если использовать «ствол» структуры в качестве затвора, в «ветви» - в качестве истока и стока, как показано на Рис. 6 и получить характерные ВАХ для полевого транзистора.



Нанотрубки, благодаря их высокой электро- и теплопроводности, можно использовать в качестве соединительных проводников в чипах с плотной упаковкой. Значительная удельная поверхность УНТ позволяет рассматривать их как материал для создания сверхминиатюрных конденсаторов большой емкости (суперконденсаторов), которые можно применять не только при создании электронных устройств, но и в качестве накопительных элементов в системах электропитания КА.



При анализе путей развития элементной базы для построения бортовых систем будущих КА следует указать на важность развития двух очень перспективных направлений – спинтроники и фотоники. Спинтроника, в отличие от традиционной электроники, строящейся на регистрации зарядов, оперирует спином электрона и связанным с ним собственным магнитным моментом электрона, которые могут иметь лишь две ориентации. На основе этого квантового эффекта возможно построение различных логических ячеек, элементов памяти и переключателей, аналогичных в известном смысле переключателям на ферромагнитных элементах, но обладающих значительно большим быстродействием и низким энергопотреблением. Уже сейчас разрабатываются запоминающие устройства и устройства записи и считывания информации, действие которых основано на регистрации спиновых состояний электронов. В перспективе рассматриваются возможности создания функциональных элементов спинтроники и с использованием других заряженных частиц.



Фотоника использует в качестве носителей информации кванты света, что принципиально обеспечивает целый ряд преимуществ по сравнению с традиционной зарядовой электроникой в отношении быстродействия, помехоустойчивости, энергопотребления и тепловыделения. Конечно же, давно создано и широко используется множество оптических устройств: источников и приемников света, модуляторов, фильтров, световодов и т.д. Достаточно вспомнить повсеместно применяемые оптоволоконные линии связи. Однако говорить о фотонике как об альтернативе микроэлектронике можно лишь создав сопоставимые по размерам оптические элементы и чипы. Нанотехнологии позволяют решить эту задачу. Оптические наноустройства изготавливаются как на основе широко применяемых полупроводниковых материалов, так и на основе новых наноматериалов. Важно, что при создании элементной базы фотоники можно использовать хорошо отработанные технологии полупроводниковой микроэлектроники. Это дает возможность достаточно просто создавать гибридные электронно-фотонные чипы, обеспечивающие совместимость принципов и технических приемов построения сложных функциональных систем на двух различных элементных базах[1].



 



4.2.Наносенсоры



 



Датчики для регистрации и определения параметров широкого круга физических объектов – сенсоры. Что интересно, наносенсоры отличаются от существующих дачиков не только своими малыми размерами, но и значительно лучшими характеристиками. Например, они позволяют обнаружить в газовой смеси отдельные молекулы определённого вида и измерять их массу.













Рисунок 7.Схема (а) и изображение (б) резонансных нановесов.





Повысить чувствительность нановесов на УНТ можно, используя конструкцию показанную на Рис. 7. В этом датчике УНТ (1) закреплена между двумя электродами из золота (2,3), помещёнными на изолятор (4) с канавкой шириной в 500 нм на его центральной части. Под изолирующим слоем находится еще один металлический электрод (5)т.е. такая структура представляет собой фактически полевой транзистор на УНТ, рассмотренный ранее. Однако в данном случае вновь используется эффект механических колебаний трубки, возбуждаемых путем подачи на электроды необходимых напряжений. В представленной системе обеспечивается более точное измерение резонансных частот и, следовательно, массы молекул, помещаемых на боковую поверхность УНТ.



Существуют газоанализаторы, действие которых основано на изменении проводимости чувствительных элементов при оседании на них регистрируемых молекул. В таких анализаторах в качестве чувствительных элементов используют нанопроволоки с нанесенными на их поверхность проводящими полимерами или выполняющими роль катализаторов атомами металлов. Исследуются также возможности создания гибридных газовых сенсоров на основе протеинов, из которых строятся рецепторы запахов в живой природе.



Данные сенсоры можно использовать для многих задач: поиска биологических молекул, обнаружение болезнетворных молекул и вирусов, контроля технологических процессов и т.д.



Так же данные датчики можно отнести к наноэлектромеханическим системам, рассматриваемым ниже[1].



 



4.3.Наноэлектромеханические системы



 



Достаточно давно существуют микроэлектромеханических системы (МЭМС), при которых используется технологии многослойного напыления, обычные для микроэлектроники. Размеры элементов МЭМС таковы, что они могут встраиваться в микроэлектронные чипы. При этом МЭМС-устройства могут выполнять функции как датчиков, так и исполнительных механизмов. В качестве элемента МЭМС можно рассматривать кантилевер, используемый в атомно-силовоммикроскопе.



При минимизации систем МЭМС образовалась наноэлектромеханические системы (НЭМС). Однако такой переход характеризуется не только уменьшением размеров. В результате существенно возрастает роль сил трения, молекулярного притяжения и электростатического взаимодействия.Эти особенности используются при создании НЭМС-устройств, некоторые из которых весьма схожи с наномашинами Э. Дрекслера[1].



Идеи многих элементов НЭМС заимствованы у живой природы. Действительно, биологические клетки способны совершать как поступательное, так и вращательное движение за счет преобразования ими химической энергии.













Рисунок 8. Наномотор.





На рис. 8 показана модель наномотора, представляющая собой две УНТ с закреплёнными на их поверхности в виде зубьев молекулами бензола. Вращение трубок происходит за счет электростатического взаимодействия между молекулами.



Сконструированы и испытаны даже своеобразные наноавтомобили, способные перемещаться по поверхности твердого тела.













Рисунок 10.Структура "графен с колоннами" (а) и молекула фуллерена с присоединенными к ней атомати Li (б) .Рисунок 9. Схема нанотурбины: 1 – врвщающаясянанотрубка; 2 – неподвижные нанотрубки.





Интересным механизмом является газовая нанотурбина, построенная на основе многослойной УНТ (рис. 9). Газовый поток вращает внешнюю нанотрубку, а внутрение остаются неподвижными, поскольку сила трения между нанотрубками весьма ма- ла. Такую структуру можно использовать также в качестве насоса, питаемого от источника электро-энергии. Разработаны так же наноустройства для управления потоками жидкости в каналах.



Сочетание на одном чипе и электромеханических наноустройств, включая устройства для управления потоками жидкости и газа, позволяет создавать сложные функциональные системы, получившие название « лаборатория на чипе» (lab-on-chip). Результатом развития рассмотренных конструкторских идей является создание «КА на чипе», которые относятся к классу пико-спутников[1].



 



4.3.Высокоэффективные элементы систем энергоснабжения космических аппаратов



4.3.1.Топливные элементы



 



Топливными элементами называют электрохимические источники тока, для работы которых, в отличие от аккумуляторов и гальванических элементов, требуется непрерывный подвод к электродам топлива и окислителя. Электрическая энергия вырабатывается в таких элементах за счет окислительно-восстановительных реакций на внешней поверхности пористых электродов, погруженных в электролит. Вместо жидкого электролита могут использоваться полимерные ионообменные мембраны, не препятствующие перемещению ионов между электродами. Наибольшее распространение получили топливные элементы, в которых в качестве топлива используют водород, а в качестве окислителя – кислород. Продуктом химических реакций в этом случае является вода, выводимая из топливного элемента. Она может использоваться для различных технических нужд.



Водородно- кислородные элементы компактны, имеют малую массу, а их КПД около 60- 70%. Водородная энергетика является экологически чистой. Такие элементы применялись на американских КА «Аполлон» при осуществлении пилотируемых полетов к Луне в 1968–1972 гг.



При таком использовании топливных элементов возникает проблема хранения необходимых для работы КА, на рис. 9(а) показана структура, состоящая из слоев графена с разделяющими их УНТ, которая получила название «графен с колоннами» (pillared graphene).













Рисунок 10. Структура «графен с колоннами» (а) и молекула фуллерена с присоединеными к ней атомами Li (б)





Так как данная структура собирает большое количество водорода, путем введения в нее атомов Li. При моделировании теоретические исследования показали, что можно увеличить емкость по отношению к водороду, довеля ее до 6-6,5 масс. % при 22°С. Так же возможно создание хранилищ водорода с использованием кластеров, представляющих собой молекулу фуллерена С60 с присоединенными к ней 12 атомами Li (Рис. 10(б)). Атомы лития показаны крупными темными шариками, а атомы углерода - мелкими шариками. Расчеты показывают, что данный кластер способен удерживать 60 молекул Н2[1].



 



4.3.2.Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках и углеродных нанотрубках



 



Не смотря на то, что в создании топливных элементов наука продвинулась вперед, основным источником электроэнергии на современных КА являются солнечные батареи. Большим шагом в этом направлении явилось создание многослойных каскадных фотоэлектрических преобразователей. Эти преобразователи содержат 3-5 p-n переходов, сформированных на слоях полупроводниковых материалов разного состава. Материалы выбираются таким образом, что ближний к освещаемой поверхности слой поглощает коротковолновое солнечное излучение, а по мере удаления слоев от поверхности длинна волны поглощаемого излучения увеличивается. В результате достигается более полное использование солнечного и, соответственно, увеличение эффективности фотоэлектрических преобразователей.













Рисунок 11. Устройство фотоэлектрического преобразователя на квантовых точках





Перспективой в этой области являются преобразователи на квантовых точках, высокая эффективность которых достигается за счет более полного поглощения энергии солнечного излучения. Это происходит за счет квантовых точек разного размера, на разных уровнях, рост их пот мере удаления от облучаемой поверхности влечет за собой увеличение длины волны поглощаемого излучения. На рис. 11 показано такое устройство, в базовую область которого, заключенную между слоями p и n-типов (1, 2) введены квантовые точки разных размеров (3), а на внешних поверхностях созданы омические контакты (4), причем облучаемая сторона преобразователя имеет просветляющее покрытие (5). Теоретические оценки показывают что КПД таких преобразователей при их эксплуатации на КА может достигать 60-65%.



Попытки создания тонкопленочных гибких фотоэлектрических преобразователей на основе УНТ. Пока на образцах подобных преобразователей достигнут КПД лишь 1-2%, однако исследуется возможность повышения эффективности[1].



 



5.Применение наноматериалов в перспективных космических проектах



 



Все описанные выше материалы найдут применение при разработке КА и реализации космических проектов 21 столетия. В этом разделе рассмотрим некоторые примеры использования наноматериалов и нанотехнологий при создании образцов космической техники.



5.1.Новые космические корабли многоразового использования













Рисунок 12. Макет комического корабля многоразового использования





Задача создания комических кораблей многоразового использания , которые придут на смену кораблям Space Shuttle. На рис. 12 изображен макет корабля многоразового использования. Корабль оснащен кислородно-водородным ракетным двигателем (1) с внешним расширением, получившими за рубежом название Aerospike. Такие двигатели пригодны для работы в широком интервале высот в атмосфере Земли. Наноматериалы могут применяться для создания как элементов конструкции двигателей (1), так и хранилищ топлива (2).



Внешняя оболочка выполнена с применением интеллектуальных и самоизлечивающихся нанокомпозитов. Нанокомпозиты будут использоваться и при создании теплозащитных элементов, устанавливаемых в носовой части корабля (4).



В бортовом компьютере корабля (3), предполагается широкое применение элементов наноэлектроники. Наряду с системами МЭМС будут внедряться системы НЭМС, некоторые элементы которых были описаны выше.



Энергосбережение корабля обеспечивается с помощью высокоэффективных литиевых батарей и топливных элементов (5).



Концепция обеспечения с помощью одного экрана, изготовленного из нанокомпозитов, тройной защиты – тепловой, радиационной и противоударной (TRIPS[2]) обсуждается не только в связи с созданием космических кораблей, но и к аппаратам, проектируемым для освоения Луны, Марса и д.р.[1].



 



5.2.Солнечные космические электростанции



 



Проекты создания на геостационарной орбите солнечных электростанций для обеспечения наземных и космических объектов были выдвинуты еще в 1970-ч гг. Предполагалось что мощность таких электростанций будет достигать 5-10 ГВт.  Для этого солнечные батареи станции должны были бы достигать площадью 50-100 км2, поперечные размеры в 20-30 км, а ее масса в 100 тыс. тонн.



Строительство и эксплуатация таких объектов упирались серьезными техническими, экономическими и экологическими трудностями, при том стоимость отправки 1 кг. груза на орбиту составляет около 20 тыс. долларов США.



Применение нанотехнологий и наноматериалов при строительстве космических электростанций позволит преодолеть многие из указанных трудностей. Описанные выше новые фотоэлектрические преобразователи обеспечат необходимую электрическую мощность при значительно меньших габаритах и массе солнечных батарей.



Для геостационарных КА большую опасность представляет их электризация, возникающая за счет взаимодействия аппаратов с окружающей космической плазмой.



Широко применяемым методом борьбы с негативными проявлениями эффектов электризации является обеспечение эквипотенциальности поверхности КА путем нанесения на нее прозрачных проводящих покрытий из окислов индия и олова. В настоящее время разрабатываются различные технологии нанесения подобных сеток на подложку. Одна из них заключается в получении коллоидных кристаллов, в которых УНТ располагаются в промежутках между частицами, с после дующим удалением частиц. Кристаллы получают из суспензии, содержащей взвешенные коллоидные частицы и УНТ. Путем изменения диаметра частиц можно менять размер ячеек получаемой сетки для достижения ее оптимальных оптических и электрических характеристик[1].



 



5.3.Космический лифт



 



Проблема грузопотоков на трассах «Земля-Космос» остается актуальной и после применения нанотехнологий. Поэтому уже давно наиболее обсуждаемой темой является строительство космического лифта, курсирующего от земли до геостационарной орбиты. Поскольку геостационарный КА находится всегда над одной точкой планеты, то можно потянуть от КА до поверхности Земли трос, по которому обоих направлениях будет перемещаться грузовая капсула (рис. 13(а)). Грузовая капсула оснащена служебным и научным оборудованием (рис. 13(б)), будет приводиться в движение с помощью электромоторов или иных устройств, которые могут получать энергию от солнечной космической электростанции.













Рисунок 13. Схема функционирования (а) и один из проектов (б) космического лифта: 1 – земля; 2 – грузовая капсула; 3 – трос; 4 – ГСО; 5 – противовес; 6 – КА





Главной трудностью является изготовлении троса с требуемой прочностью. Согласно расчетам, стальной трос разорвется под действием силы тяжести при длине 50-70 км. Использование композиционных материалов позволяет увеличить длину троса до 150-300 км.



Надежды ученых и конструкторов вновь связаны с применением УНТ, прочность которых равна 100 ГПа, что в десятки раз превышает прочность лучших легированных сталей при значительно меньшей удельной массе. Результаты моделирования показали, что прочность троса космического лифта должна обладать около 20 Гпа и быть втрое легче алюминия. УНТ удовлетворяют этому требованию, однако для изготовления троса нужно научиться создавать более 2-3 см что на данный момент предел, но первые образцы жгутов из УНТ уже получены, но их прочность еще далека от прочности УНТ. Но технологический прорыв не за горами[1].



 



5.4.Создание обитаемых баз на Луне



 



При разговоре о Луне прежде всего говорится о создании лунной базы, длительного пребывания человека на смой Луне, функционирования техники – наноматериаллы и нанотехнологии, безусловно, сыграют важную роль в решении многих проблем связанных с безопасностью станций. Создаваемых универсальных экранов, обеспечивающих комплексную защиту от воздействия космических факторов, т.е. TRIPS-концепции создания защиты.



Основным воздействующим фактором является низкоскоростные потоки частиц лунной пыли. Оценки показывают, что загрязнение оптических элементов частицами лунной пыли может значительно ухудшать их характеристики. Например, снижение в результате такого загрязнения прозрачности защитных стекол солнечных батарей, используемых для энергоснабжения лунной базы, представляет для них наибольшую потенциальную опасность по сравнению с другими воздействующими факторами (табл. 1).



 



Таблица 1. - Оценка деградации солнечных батарей лунной базы за счет действия различных ФКП.































Воздействующий



 фактор



Ожидаемое снижение



эффективности солнечных батарей за год, %



Метеорные частицы



0,2–0,3



Вторичные частицы



< 1



Лунная пыль



10–15



Космическая радиация



1,5–2



Электромагнитное излучение Солнца



0,5




Загрязнение пылью может являться также причиной увеличения коэффициента поглощения солнечного излучения терморегулирующими покрытиями лунных аппаратов, снижения электрической прочности высоковольтных изоляторов и абразивного повреждения узлов трения, в том числе повреждения оболочек скафандров в местах сгибов. Во всех перечисленных случаях весьма эффективным может оказаться применение разрабатываемых самоочищающихся покрытий на основе комбинации органических и неорганических микро- и наноструктур, а также пучков УНТ[1].



 



5.5.Исследование планет Солнечной системы



 



При полете на Марс и межпланетных полетов проблема обеспечения надежности экипажа и оборудования от воздействий ФКП остается одной из важнейших. В этом случае TRIPS-концепция оказывается весьма плодотворной.



Результаты расчетов показывают, что наилучшей защитой космического корабля можно обеспечить с помощью сверхпроводящего электромагнита, отклоняющего заряженные частицы ГКЛ и СКЛ, в сочетании с поглощающим экраном. Безусловно, для обеспечения жизнедеятельности экипажа марсианского корабля на протяжении 2−3 лет полета будет использован весь арсенал новейших средств, создаваемых с помощью нанотехнологий: рассмотренные выше сверхчувствительные газоанализаторы, лаборатории на чипе, средства адресной доставки лекарств и т.д.



При изучении планет важным направление является применение малых КА и роботов различной степени сложности для получения данных об условиях на поверхности планет и в околопланетном пространстве. Уже сейчас используются подробные технологии, но нанороботы следующих поколений будут иметь более широкий функционал. Они будут объединяться в самоорганизующиеся системы, обеспечивающие информационную поддержку космических миссий, управление полетом КА, подготовку места посадки, обследование и ремонт КА и даже снабжение КА материалами и продуктами, которые могут производиться роботами из окружающих их химических элементов, и д.р. Хоть все это и кажется фантастическим, эти проекты могут быть осуществлены в ближайшие 20-30 лет[1].



 



6.Заключение



 



В будущем технологии выйдут на новый уровень, и нанотехнологии станут такой же неотъемлемой частью нашей жизни, уже сейчас во многий современных инструментах (телефон, компьютер, и т.п.) используют нанотехнологии.



При переходе на космический уровень нанотехнологии решают очень много проблем, стоящих перед человеком, при этом, возникает ряд новых проблем, с которыми науке еще придется столкнуться.



Углеродные нанотрубки – перспективное направление нанотехнологий, которое на данный момент усиленно изучается. На УНТ возлагаются большие надежды при создании технологий будущего (космический лифт, пикоспутники и т.п.).



 



7. Список литературы



 




  1. Перспективы применения наноматериалов в космической технике/ Л.С. Новиков, Е.Н. Воронина 2008. – 121 - 167с.



 




  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Нанотехнология




  1. http://nuclphys.sinp.msu.ru/school/s09/Novikov.pdf




  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродные_нанотрубки#cite_note-3




  1. http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2002-5/4.pdf



 



 



[1]Ким Эрик Дрекслер (род. 25 апреля 1955ОклендКалифорния) — известный американский учёный, 





                                            



Категория: Конспекты (курсы КП и ПК) | Добавил: sergun (21.12.2016) | Автор: Абдкрахманов
Просмотров: 1993 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта