Ученые долго решали, из чего возможно строить здания на Луне. В итоге пришли к выводу, что кирпичи для базы можно укладывать по принципу конструктора, не используя цемент. Это позволило бы удешевить строительство и не тратить место на его транспортировку на космическом корабле.
Можно ли сделать из пластика оружие? Зачем гусю напечатали клюв из пластика? Из чего делают бронежилеты? Как печатают современные банкноты? Об этом подробно рассказали в программе "Как устроен мир" с ведущим Тимофеем Баженовым на РЕН ТВ.
Автомобили будущего будут сделаны из пластика?
Первую машину не из металла сделали в середине ХХ века
Считается, что пластик никогда не заменит металл по прочности и в самых важных отраслях – например, в производстве автомобилей всегда будут использоваться только сплавы. Но машины с кузовом из стеклопластика уже появились 75 лет назад.
Первый серийный экземпляр был построен на фирме по производству лодок. Модель оказалась удачной и даже породила особую спортивную моду, ведь речь шла об очень дорогих машинах.
"Пластик на данный момент стремится к тому, чтобы заменить собой все и вся. Если мы посмотрим на различные отчетности по тому, сколько у нас производится сейчас пластика, где он применяется, он маленькими-маленькими шагами к этому идет. Да, он еще не достиг нужных нам значений, но он стремится к тому, чтобы заменить собой и дерево, – что он уже более-менее успешно делает – и металлы в ближайшем будущем, и стекло даже", – поделилась заведующая лабораторией кафедры химии и технологии переработки эластомеров РТУ МИРЭА Жарылганова Манижа.
Жарылганова в школе мечтала стать врачом, но в итоге выбрала химию и сейчас занимается важным для страны делом – импортозамещением. Создает аналоги тех веществ, которые у нас в стране не производятся.
"Можно сделать пластик прочнее, чем металл, или с равными характеристиками, если, например, пластик армировать. Что такое вообще армирование? Это когда мы помимо пластика добавляем в него компонент, создающий конструкционную сетку, решетку, делающую ее жестким и достаточно прочным. Армируют пластики, например, различными кордами – это ткани, нити, тросы, металлы", – добавила химик Жарылганова.
В наши дни пластик не может заменить металлы
Пытались из пластика сделать и недорогие автомобили. Бразильский кабриолет был сделан целиком на местных заводах и позиционировался как идеальный вариант для курортных городков, но скоро производство свернули. Затея оказалась неприбыльной, в сравнении с основным бизнесом фирмы-производителя – канцелярскими товарами.
"До конца вытеснить металлы пластику, по крайней мере пока, не под силу. Потому что в настоящий момент просто еще не синтезированы подобного рода полимеры, которые способны будут тягаться со всеми металлами и сплавами на равных. Но вообще, в будущем, если смотреть на полимерную промышленность в разрезе истории, я считаю, что вполне вероятно, что пластики смогут заменить большинство металлов там, где это возможно", – рассказал доцент кафедры химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов РТУ МИРЭА Александр Пыхтин.
Ученый с детства любит рыбалку и до сих пор помнит, как свой первый улов он вытаскивал из реки. Удочкой в то время для него служила ветка орешника, к которой была прицеплена леска со снастью.
Но однажды дедушка сделал ему королевский подарок – спиннинг из стеклопластика. Тут же юноше захотелось разобраться, как он устроен.
Так у Александра появилась вторая страсть – полимеры. Путь в жизни был выбран. Сейчас преподаватель института занимается научной работой. И пластик теперь уже не только в удочках и авоськах, но и в деталях самолетов.
"Все уже слышали о современном российском авиалайнере, который находится сейчас на стадии испытаний, это МС-21. В составе этого авиалайнера в качестве материала для изготовления крыльев очень активно используют углепластики отечественного производства, которые называются "черное крыло". Именно благодаря применению подобного рода материалов удается повысить дальность полета данного самолета, а также увеличить его грузоподъемность и количество багажа и пассажиров, которые авиалайнер может принять на борт", – обратил внимание химик Пыхтин.
Немногие знают, что в Африке тоже производят автомобили. Тунисский внедорожник появился благодаря энтузиастам. Производители с легкостью дают пожизненную антикоррозийную гарантию, ведь кузов сделан из пластика.
"Эти материалы сами по себе обладают прекрасными антикоррозионными свойствами – в отличие от металлов они не ржавеют, не гниют. Но для того чтобы покрасить подобного рода материал, необходимо использовать достаточно большое количество специализированного грунта и проводить дорогостоящие и очень сложные технологические операции. Из-за этого стекло и углепластики применения в автомобильной промышленности в настоящий момент не нашли", – рассказал химик Пыхтин.
Гоночная легковушка из ГДР: секрет полимерных автомобилей
В нашей стране из полимерных автомобилей больше всего известен Trabant из Восточной Германии. Вопреки расхожему мнению, его кузов не полностью пластмассовый. На стальное основание навешивались панели.
Легкость позволяла разгонять автомобиль даже на слабом моторе. На пластиковых малютках и сегодня устраивают гонки. В настоящий момент бюджетный Trabant в коллекционном состоянии стоит очень дорого.
На заводе в ГДР были даже изготовлены несколько автомобилей представительского класса. Они тоже были пластмассовыми. Их использовали во время военных парадов и встреч официальных делегаций. До сегодняшнего дня дожили всего 2 экземпляра.
"Пластик не вытеснит металл, так как мы сталкиваемся с физическими ограничениями полимеров. Если наши ученые, конечно же, разработают новые полимеры, которые будут превосходить по физическим характеристикам металлы, тогда, может быть, и вытеснит", – объяснил ведущий специалист РЭУ им. Г.В. Плеханова Кирилл Чикунов.
Все эти машины пластиковые лишь снаружи. В создании мотора, самой сути автомобиля, без металла большинство конструкторов обойтись не может. Для орбитальных аппаратов был разработан прочный и жаростойкий пластик, и это дало новый толчок для энтузиастов.
Это позволило создать двигатель, который можно отлить и собрать в своем гараже. Мотор установили на гоночный болид. Правда, запустить в серию пластиковые двигатели уже несколько десятилетий никто не решается.
"Раньше практически все двигатели изготавливались из чугуна, а поршни и кольца – из стали. И подобные двигатели способны были отходить по 500 тысяч километров, иногда даже до миллиона. Современные двигатели для легковых автомобилей изготавливают уже на алюминиевой основе, и они без капитального ремонта способны отходить где-то 250 тысяч километров. Если же мы говорим о полимерах и полимерных композиционных материалах, то ресурс их будет в десятки, а может быть, даже в сотни раз ниже, чем у двигателей из металлов", – рассказал химик Пыхтин.
Оружие из пластика: миф или скорая реальность
Пластику сложно заменить металл не только в транспорте и двигателях. Прозрачная картофельная пушка наглядно показывает, как воспламеняется газ, чтобы вытолкнуть клубень наружу. Но даже для такого орудия, которое кто-то считает игрушкой, подойдет не любой пластик, что уж говорить о настоящем боевом оружии, где температуры и нагрузки гораздо выше.
Американцу удалось напечатать настоящий пластиковый пистолет, единственной металлической деталью в котором был гвоздь. Но уже через пару выстрелов оружие развалилось и чуть не поранило своего создателя.
"Невозможно при нынешнем развитии полимерных технологий изготовить ствол, боек ударно-спускового механизма, курок и, самое главное, пулю из полимерного композиционного материала, которая бы не разрушилась в ходе эксплуатации этого оружия", – заявил химик Пыхтин.
Знаменитый австрийский пластиковый пистолет позиционируется как универсальное легкое оружие. Но то, что выдают за преимущества, было вынужденной необходимостью.
В момент запуска в серию на заводах Австрии не было нужного оборудования для изготовления сложных металлических частей, их заменили на пластик. Он деформируется не только от нагрева и нагрузок, но и от мороза. Это влияет на прочность и прицеливание – мушка достаточно быстро сбивается.
"Не секрет, что большинство полимерных и композиционных материалов на их основе начинают уже при 400 или 450 градусах деструктировать, то есть разрушаться, гореть и выделять различные летучие соединения. И, соответственно, такая деталь в лучшем случае начинает терять свою форму, а в худшем – она просто разрушается и перестает эксплуатироваться", – поделился химик Пыхтин.
Отечественные оружейники тоже используют пластик для облегчения общего веса оружия, но при этом поступают хитрее. Внутри пластиковых деталей есть металлические закладные, которые обеспечивают необходимую жесткость.
К бронежилету применяются высокие требования при изготовлении
Обычный пластик вряд ли остановит пулю. Огнестрельное оружие с легкостью пробивает десятки деталей от конструктора. Мотоциклетный шлем из специального пластика, созданный защищать голову, справляется куда лучше – он выдерживает даже выстрел из дробовика. Не отлетит ли при этом сама голова, остается под вопросом.
Остальная мотоциклетная защита легко пробивается, потому что создана для другого типа нагрузок. Она не может быть бронежилетом, ведь требования к последним достаточно высокие.
"В данном случае мы видим бронепанель после испытаний. Сюда произвели серию из пяти выстрелов. И с тыльной стороны сразу можно увидеть деформацию. Во всяком случае, любая панель должна деформироваться, чтобы энергию попадания пули распределять по своей структуре и это не передавалось на тело. И, конечно же, недостаточно просто поставить панель перед человеком, потому что этот удар может сломать ему ребра, внутренние органы повредить. Всегда у нас в стране принято, что в бронежилете есть сначала противоосколочный пакет повышенной площади защиты, а перед ним уже идет панель. То есть любой бронежилет – это плита, за плитой ставится противоосколочный пакет, и за противоосколочный пакет на бронежилет крепится специальная подушка – демпфер-КАП, климатико-амортизационный подпор. Для того, чтобы во время попадания удар эффективно распределялся, гасился, и смягчался", – поделился руководитель отдела маркетинга и рекламы магазина военной экипировки и снаряжения Семен Ковалев.
Пластик позволил создать легкий, складной, пуленепробиваемый щит. По сути, он состоит из модифицированного полиэтилена. Этот родственник пакета напоминает толстую папку, которую можно носить в руках.
"Здесь вы видите принципиальный макет, напечатанный на 3D-принтере, будущие панели анатомичной формы. То есть она огибает тело человека, грудные мышцы, заходит на бока, в подреберную зону, для того, чтобы были максимальный комфорт и низкопрофильность во время эксплуатации", – показал маркетолог Ковалев.
Прочность может придавать не только материал, но и структура. Полые пластиковые детали, сплетенные как средневековая кольчуга, помещаются в вакуумный пакет. Воздух откачивается, и структура становится в десятки раз жестче.
Принцип используют не только в бронежилетах. Мосты и другие конструкции можно доставлять до места в рулонах, а затем собирать за короткое время.
С Земли к другим планетам: пластик используется в космической промышленности
Пористый аэрогель из пластика, кремнезема и стекловолокна позволяет дрону выдерживать нагрев до 200 градусов. Квадрокоптер используют для тушения пожаров. Он проникает к очагу возгорания и разведывает обстановку. Технология позволяет выдерживать не только сверхвысокие температуры, но и серьезный мороз.
"В действительности из полимеров лишь некоторые покрытия способны выдерживать температуру даже до 2 тысяч градусов. Это так называемый китайский лак, который был разработан в КНР в свое время. Подобного рода соединениями покрывают космические спускаемые аппараты, что позволяет не сгорать капсуле с космонавтами при прохождении через плотные слои атмосферы", – рассказал химик Пыхтин.
Эластичный пластик позволяет другому дрону врезаться в стены на полной скорости. Гибкие соединения принимают на себя удар, но не ломаются, а возвращаются на место.
Встроенный процессор при этом корректирует тягу, и квадрокоптер сохраняет стабильность, даже протискиваясь в щели. Это свойство вкупе с другим ноу-хау – автопилотом на основе нейросетей – позволит пролетать сквозь лес на высокой скорости, не задев по пути ни одного дерева.
Инженеры создают и комбинированные дроны. Они долетают до нужной точки, после чего спускаются под воду и исследуют дно.
"Одна из самых сложных задач – это сигналы управления. Так как у нас вода не пропускает электрический ток практически, она является той средой, где радиосигнал тяжело распространяется. Поэтому используют акустические системы управления", – добавил специалист Чикунов.
Пластик помогает не только летать над землей, но и перемещаться в космосе. Перспективной для миссий к другим планетам можно назвать технологию солнечного паруса. Поток фотонов от нашей звезды передает импульс любой освещаемой поверхности.
Давление это относительно небольшое, но его хватает в условиях нулевой гравитации. Эффективным может быть лишь большой по площади, но легкий парус. Пластик с алюминиевым напылением обладает нужными свойствами. Это позволит создать прочное полотно тоньше человеческого волоса, а следовательно, поможет и космическому кораблю, который полетит, не расходуя топливо. Правда, пока все это чистая теория.
"Композиты становятся прочнее, чем, например, даже некоторые металлы, и заменяют их в тех материалах, где очень важен вес. То есть различные космические, авиационные промышленности нуждаются в более легких материалах, но при этом достаточно прочных", – объяснила химик Жарылганова.
От птичьего клюва до человеческой руки: что можно напечатать на 3D-принтере
Гусь подрался с енотом и лишился клюва. Пришлось ставить пластиковый протез.
Новый клюв напечатали за несколько часов на 3D-принтере, снабдили ноздрями и приклеили на остатки старого. Птица с протезом вернулась к обычной жизни и питанию и чувствует себя не хуже, чем остальные.
Как и из чего печатают 3D-принтеры? Сначала необходимо подготовить нить, из которой аппарат будет печатать. Гранулы выбранного типа пластика плавят в специальном станке, вытягивают в нить и придают нужную толщину через бронзовые калибраторы.
"Завершающим этапом стадии нашей подготовки к намотке термопластичного филамента на бобину является именно подхват нашего филамента после того, как он вышел на режим. Его необходимо подрезать, потом пропустить под нашим маятником, который является регулятором скорости вращения наматывающего вала, пропустить через систему захватных и различного рода подвижных роликов, которые позволят центровать и, самое главное, плотно и равномерно укладывать филамент на катушку", – объяснил химик Пыхтин.
Цвет получаемого пластика можно менять с помощью тех или иных красителей и используя разное сырье. Получившиеся бобины с намотанной нитью станут материалом для печати.
"В качестве учебного пособия и оборудования для учебы используются 3D-принтеры, которые способны печатать обычными и конструкционными пластиками до 300 градусов Цельсия. 3D-печать очень часто называют именно методом послойного выращивания нашей детали. Собственно говоря, среди западных ученых очень распространен именно термин "выращивание детали". Причем он аналогичен как для металлических, так и для полимерных материалов", – поделился химик.
Инженеры создали роботизированную руку, которая может нежно брать даже хрупкие предметы. Для этого они отсканировали строение реальной человеческой кисти.
Весь секрет в одновременной печати из нескольких видов пластика. Аналогом костей стал твердый пластик, мышцами – мягкий, а сухожилиями – эластичный. Новый метод можно будет применять в медицине.
"Медицинский пластик очень активно используется. Для начала, клапаны сердца бывают пластиковые. Потом сам искусственный орган сердца содержит множество пластиковых деталей. И не забываем также про протезы верхнечелюстные и нижнечелюстные, они тоже состоят из пластика в большинстве случаев. Это недорогой материал, очень удобный", – объяснил врач спортивной медицины, травматолог-ортопед Филипп Чубаровский.
Ученые давно научились выращивать ткань из клеток для последующей пересадки. На пластиковом каркасе создали биореактор, подвели кислород и питательные вещества, сделали посев клеток. Периодически робот двигает рукой, имитируя движение человека. Так ткань формируется с правильным строением волокон.
"Как и любые искусственные ткани, их выращивают в лаборатории, путем размножения клеток стволовых, в том числе миоцитов, которые являются производной мышечной ткани. В лаборатории также могут выращивать и зубы, кожу и мышцы", – обратил внимание врач Чубаровский.
Еще больше интересного от РЕН ТВ – в канале "Рен. Знание" мессенджера "МАКС"