Именно в этой области ведутся самые передовые исследования.
Современные популяризаторы науки обычно уделяют мало внимания теме космического материаловедения. Однако именно в этой области ведутся самые передовые исследования и появляются технологии, которые оказываются у востребованы не только на орбите, но и на Земле.
Алюминиевый стандарт
Задолго до начала космической эры образованные люди, занимавшиеся теоретическими вопросами межпланетных путешествий, понимали, что для выведения искусственного тела на орбиту необходимо максимально облегчить его. При этом из общих соображений было ясно, что для оболочки космического корабля потребуется металл или сплав металлов.
Однако сталь слишком тяжелая, посему, когда в первой половине XIX века научились электролитическим способом получать из бокситов алюминий, авторы утопических фантазий определили его тем материалом, который в будущем станут применять повсеместно, в том числе для освоения внеземного пространства.
К примеру, французский писатель Жюль Верн в романе «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут» (1865), описывая космический полет в снаряде, выстреливаемом гигантской пушкой, полагал, что тот будет изготовлен именно из алюминия. Фантаста смущала высокая стоимость «экзотического» металла: по цене он тогда был сопоставим с золотом, но Верн прозорливо полагал, что космические полеты по определению будут обходиться дорого.
Конечно, были и другие соображения. Скажем, американский прозаик Эдвард Хейл, которого считают первооткрывателем идеи обитаемой орбитальной станции, в повести «Кирпичная луна» (1869) высказывал уверенность, что лучшим материалом для создания искусственных небесных тел является... кирпич, ведь только он способен выдержать высокие температуры, которые возникнут при старте сквозь атмосферу.
В мае 1903 года была опубликована статья калужского учителя Константина Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой тот показал, что освоение космоса начнется с развитием ракет на жидком топливе.
Вопрос материалов не слишком волновал теоретика: он полагал, что ракета дает настолько большое преимущество перед другими видами транспортировки, что в ее конструкции допустимо применить даже тяжелую сталь. Что касается камеры сгорания и сопла двигателя, которым придется работать при высоких температурах, то Циолковский предлагал использовать тугоплавкие металлы типа вольфрама и осмия.
В то же самое время началось становление авиастроения. Конструкторы самолетов рассматривали алюминий как перспективный материал, однако он быстро коррозирует при контакте с растворами кислот и щелочей.
Решение проблемы нашел немецкий химик Альфред Вильм: осенью 1906 года он обнаружил, что если добавить к алюминию немного меди, магния и марганца, а затем сплав резко охладить, то он станет тверже и будет успешно противостоять коррозии. Новый сплав получил название дюралюминий в честь города Дюрена, где впервые организовали его производство.
Он привлек внимание Вернера фон Брауна — молодого немецкого ученого, разрабатывавшего тяжелую баллистическую ракету А-4, сегодня более известную как «Фау-2». Хотя сама ракета изготавливалась из стали, топливные баки решили делать из алюминиевых сплавов.
После Великой Отечественной войны, когда «Фау-2» достались в качестве трофея советским и американским специалистам, те разработали на их основе более совершенные ракеты, отказавшись от тяжелого стального корпуса в пользу несущих баков, которые надуваются перед стартом, придавая необходимую жесткость всей конструкции.
Влияние пустоты
С появлением искусственных спутников возникли и новые сложности. Оказалось, что вещество в вакууме испаряется: молекулы не осаживаются на поверхность, а улетают прочь, что приводит к разрушению материала намного быстрее, чем на Земле. Наиболее подвержены испарению магний и кадмий, что сказывается на сплавах, в которых они присутствуют, а самыми устойчивыми оказались кремний, титан, платина и вольфрам.
При выборе материалов для спутников и межпланетных станций приходится учитывать и влияние солнечной радиации: потоки заряженных частиц, которые не сдерживает магнитное поле и не рассеивает атмосфера, вызывают эрозию, от которой страдают прежде всего органические материалы: эластомеры, пластмассы, резины, масла, тефлоны.
В условиях высокой радиации относительно быстро разрушаются микросхемы и солнечные батареи. Чтобы увеличить срок их эксплуатации, соответствующие элементы закрывают специальными экранами. И разумеется, специалисты ведут поиск более стойких полупроводников и тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей.
Особую опасность потоки частиц представляют для космонавтов. Считается, что если человек в скафандре попадет под солнечную вспышку вне корабля или орбитальной станции, то получит дозу облучения, близкую к смертельной.
Глубже всего в материалы проникают быстрые нейтроны: даже в земной атмосфере при нормальном давлении они проходят около 120 метров, прежде чем столкнуться с достаточным количеством атомов и потерять энергию.
Российские ученые давно занимаются этой проблемой, ведь ее решение имеет практическое значение не только для космонавтики, но и для атомной энергетики. В результате появился трехслойный материал, не имеющий аналогов в мировой инженерии. Первый слой, в котором происходит замедление быстрых нейтронов, состоит из элементов с малой атомной массой: воды, парафина полиэтилена, бетона и гидридов металлов.
Второй слой предназначен для поглощения замедленных нейтронов, он включает такие элементы, как бор, кадмий, гафний, европий. Процесс поглощения сопровождается гамма-излучением, поэтому для его ослабления предусматривается третий слой, состоящий из тяжелых металлов.
Однако вещества, применяемые на первом этапе, неудобны с технологической точки зрения, поэтому специалисты предложили использовать полиэтилен, наполненный гранулами с изотопом бор-10: он замедляет нейтроны в сотни раз эффективнее, чем, например, бетон, устойчив к перепадам температур и намного легче любого другого материала из предложенных для защиты космонавтов.
Композитное будущее
Сегодня в моду все больше входят наноматериалы, которые со временем найдут применение и в ракетно-космической технике. Их внедрение позволит улучшить механические характеристики конструкций, уменьшить размеры микросхем, усовершенствовать научную аппаратуру, системы энергообеспечения и жизнеобеспечения.
Углеродные нанотрубки в качестве добавок способны творить чудеса: кратно повышать прочность металлических сплавов, пластика и бетона, радикально менять их свойства, например делать пластмассу электропроводной.
Развитие нанотехнологий открывает и новые варианты в создании композиционных материалов (композитов), которые состоят из нескольких видов веществ с сохранением границ между ними. При этом композиция должна приобретать свойства, которые не присущи ее составляющим по отдельности.
Скажем, керамика обладает высокой твердостью и термостойкостью, но хрупка. Повысить ее устойчивость 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.
Металлические порошки и многослойные углепластики можно формировать в соты, что вдвое снижает массу конструкций при сохранении или даже повышении жесткости. Полимерные композиты найдут применение в дыхательных баллонах, топливных баках и аккумуляторах давления. Сложные нанокомпозиты открывают путь к получению «умных» материалов, которые чутко реагируют на изменения окружающей среды или сами меняются по командам.
С внедрением новых технологий космонавтика будет становиться все более «изящной», эволюционируя от громоздких сооружений в сторону легких и прочных конструкций, способных быстро преодолевать межпланетные расстояния.
Антон ПЕРВУШИН