A holnapi űrhajók fejlett, elképesztő tulajdonságokkal rendelkező anyagokból készülnek majd.
Hallgassa meg ezt a történetet streaming hanganyagon, letölthető fájlként, vagy kérjen segítséget.
2002. szeptember 16: “Amit igazán keresek” – mondja az eladónak – “az egy olyan autó, amely legalább 10 000 mérföldet tesz meg két tankolás között, automatikusan javítja magát, 500 km/órával száguld, és csak néhány száz kilót nyom.”
Amíg ő tágra nyílt szemmel áll, te hozzáteszed: “Ó, igen, és csak negyedannyit tudok költeni, mint amennyibe ezek a többi autó kerül.”
drámaian továbbfejlesztett űrhajók lehetővé tételéhez.
Egy ilyen kéréssel biztos, hogy kinevetik az újautó-parkolóból. De sok szempontból ez az álomautó egy metafora azokra az űrjárművekre, amelyekre a következő évtizedekben szükségünk lesz a Naprendszer felfedezésének kiterjesztéséhez. Ezeknek az új űrjárműveknek egyszerre kell gyorsabbnak, könnyebbnek, olcsóbbnak, megbízhatóbbnak, tartósabbnak és sokoldalúbbnak lenniük.
Elképzelhetetlen? Mielőtt válaszolna, gondolja végig, hogyan reagált volna egy 200 évvel ezelőtti farmer, ha egy ember olyan lovat kért volna, amely órákon át képes 100 mérföld/órás sebességgel száguldani, az egész családját és az összes csomagját cipelni, és közben végig a kedvenc dalait énekelni neki! Ma kisbuszoknak hívjuk őket.
A technológiai forradalmak – mint az ipari forradalom, amely a lovakat autókkal váltotta fel – holnapra mindennapossá tehetik azt, ami ma lehetetlennek tűnik.
Egy ilyen forradalom most is zajlik. Napjaink három leggyorsabban fejlődő tudományága – a biotechnológia, a nanotechnológia és az informatika – összefolyik, hogy a tudósok a molekuláris léptékű anyag felett példátlan irányítást biztosítsanak. Ebből a szellemi aranylázból az anyagok új osztálya bámulatos tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek inkább egy sci-fi regényben, mint a laboratóriumi munkapadon hangzanak otthonosan.
Képzeljünk el például egy olyan anyagot, amely százszor olyan erős, mint az acél, de csak 1/6-a a súlyának; olyan anyagokat, amelyek azonnal meggyógyulnak, ha átszúrják őket; olyan felületeket, amelyek “érzik” a rájuk ható erőket; molekulánként apró vezetékeket és elektronikát; szerkezeti anyagokat, amelyek elektromosságot is termelnek és tárolnak; és folyadékokat, amelyek azonnal szilárddá válnak, majd vissza, amikor csak akarjuk. Mindezek az anyagok ma már léteznek … és még több van készülőben.
Egy ilyen észbontó anyagokkal a kezünkben a jobb űrhajók építése már nem is tűnik olyan távolinak.
A súly egyenlő a pénzzel
A következő generációs űrhajók kihívása néhány elsődleges kérdésen múlik. Az első és legfontosabb természetesen a költség.
“Még ha ma minden technikai akadályt megoldanánk is, a Naprendszerünk felfedezésének akkor is megfizethetőnek kell lennie ahhoz, hogy praktikus legyen” – mondja Dr. Neville Marzwell, a NASA következő évtizedes tervezési csoportjának forradalmi űrtechnológiáért felelős vezetője.
Az űrrepülés költségeinek csökkentése elsősorban a súly csökkentését jelenti. Minden egyes lefaragott kiló egy kiló, amely nem igényel meghajtást a Föld gravitációjából való kilépéshez. A könnyebb űrhajók kisebb, hatékonyabb hajtóművekkel és kevesebb üzemanyaggal rendelkezhetnek. Ez viszont több súlyt takarít meg, így a súlymegtakarítás és a költségcsökkentés jótékony spirálját hozza létre.
Így van: Ez a teljesen megrakott Saturn V holdrakéta 6,2 millió fontot nyomott. Nehéz és drága volt a kilövése.
A kihívás a súlycsökkentés, a biztonság, a megbízhatóság és a funkcionalitás növelése mellett. Az alkatrészek egyszerű elhagyása nem lesz elég.
A tudósok egy sor új technológiát vizsgálnak, amelyek segíthetnek az űrhajók karcsúsításában. Például, az ultravékony fóliákból készülő “gossamer” anyagokat használhatják antennákhoz vagy fotovoltaikus panelekhez a ma használt terjedelmesebb alkatrészek helyett, vagy akár hatalmas napvitorlákhoz, amelyek a meghajtást biztosítják, miközben négyzetméterenként csak 4-6 gramm tömegűek.
A szénszálas teniszütőkben és golfütőkben használt kompozit anyagok már eddig is sokat segítettek a súlycsökkentésben az űrkutatásban, anélkül, hogy a szilárdság rovására mentek volna. A szén egy újfajta, “szén nanocsőnek” nevezett formája azonban drámai javulást ígér a kompozitokhoz képest:
“Ez a fenomenális szilárdság a nanocsövek molekuláris szerkezetéből ered” – magyarázza Dennis Bushnell, a Langley Research Center (LaRC), a NASA Szerkezetek és Anyagok Kiválósági Központjának vezető tudósa. Kicsit úgy néznek ki, mint a hengerré tekert csirkedrót, amelynek minden egyes hatszögletű sarkában szénatomok ülnek.
A nanocsövek jellemzően körülbelül 1,2-1,4 nanométer átmérőjűek (a nanométer a méter egymilliárdod része), ami csak körülbelül tízszerese maguknak a szénatomoknak.
Fentebb: A szénatomok rácsa a szén nanocsövekben olyan, mint egy fogasléc, amelyre másfajta atomokat és molekulákat lehet felakasztani, hogy a nanocsövek különleges kémiai, elektromos vagy termikus tulajdonságokkal rendelkezzenek. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Pennsylvania Állami Egyetem Fizika Tanszék.
A nanocsöveket csak 1991-ben fedezték fel, de máris a tudományos közösség intenzív érdeklődése óriási mértékben előmozdította a nanocsövek létrehozására és felhasználására vonatkozó képességeinket. Alig 2-3 évvel ezelőtt a leghosszabb nanocsövek, amelyeket készítettek, körülbelül 1000 nanométer hosszúak (1 mikron) voltak. Ma a tudósok képesek akár 200 millió nanométer (20 cm) hosszú csöveket is növeszteni. Bushnell megjegyzi, hogy világszerte legalább 56 laboratórium dolgozik ezen apró csövek tömeges előállításán.
“Nagy előrelépések történnek, így a nanocsövek felhasználásával ömlesztett anyagok előállítása valószínűleg meg fog történni” – mondja Bushnell. “Amit nem tudunk, az az, hogy az acél tömegéhez képest 600-szoros szilárdság mennyire fog megnyilvánulni egy ömlesztett anyagban. Mégis, a nanocsövek a legjobb esélyünk.”
Igen: A szén nanocsövek szakítószilárdsága jelentősen meghaladja más nagy szilárdságú anyagokét. Vegyük észre, hogy a függőleges tengelyen minden egyes növekmény a 10-es hatványát jelenti.
A puszta szilárdságon túl a nanocsövek valószínűleg fontosak lesznek az űrhajók súlycsökkentési tervének egy másik része szempontjából: olyan anyagok, amelyek nem csak egy funkciót tudnak ellátni.
“Régebben olyan szerkezeteket építettünk, amelyek csak buta, holt súlyú tartók voltak az aktív alkatrészek, például érzékelők, processzorok és műszerek számára” – magyarázza Marzwell. “Most már erre nincs szükségünk. A tartó a rendszer szerves, aktív része lehet.”
Az űrhajó teste akár energiát is tárolhatna, így nem lenne szükség nehéz akkumulátorokra. Vagy hogy a felületek önmagukat hajlíthatnák, megszüntetve ezzel a különálló aktuátorokat. Vagy hogy az áramköröket közvetlenül az űrhajó testébe lehetne beágyazni. Ha az anyagokat molekuláris szinten lehet tervezni, az ilyen holisztikus szerkezetek lehetővé válnak.
Az űrhajó bőre
Az ember a legkisebb szúrást is érzi bárhol a testén. Ez az önmegfigyelésnek egy elképesztő darabja — ami azért lehetséges, mert a bőrünk több millió mikroszkopikus idegvégződést tartalmaz, valamint idegeket, amelyek ezeket a jeleket az agyunkba továbbítják.
Az űrhajó kritikus rendszereit alkotó anyagokat is be lehetne ágyazni nanométeres méretű érzékelőkkel, amelyek folyamatosan figyelik az anyagok állapotát. Ha valamelyik alkatrész kezd meghibásodni – vagyis “rosszul érzi magát” -, ezek az érzékelők figyelmeztethetnék a központi számítógépet, mielőtt tragédia történne.
Molekuláris vezetékek szállíthatnák a jeleket az összes ilyen beleszőtt érzékelőtől a központi számítógéphez, elkerülve a mai millió és millió vezeték praktikátlan tömegét. Ezt a szerepet ismét a nanocsövek tölthetik be. Kézenfekvő módon a nanocsövek attól függően, hogy hogyan készülnek, vezetőként vagy félvezetőként is működhetnek. A tudósok más hosszúkás molekulákból is készítettek molekuláris vezetékeket, amelyek közül néhány még természetes módon is hasznos konfigurációkba áll össze.
Balra: Ez a NASA Langley Kutatóközpontjában (LaRC) kifejlesztett piezoelektromos anyag “érzi” az olyan deformációkat, mint a hajlítás vagy a felületi nyomás, és válaszként kis feszültséget hoz létre, amely jelként működhet egy központi számítógép számára. A kép a NASA LaRC Morphing Projectjének jóvoltából.
A bőrünk is képes önmagát gyógyítani. Akár hiszed, akár nem, néhány fejlett anyag ugyanerre képes. Az ionomereknek nevezett hosszú láncú molekulákból készült öngyógyító anyagok úgy reagálnak egy behatoló tárgyra, például egy golyóra, hogy bezáródnak mögötte. Az űrhajók használhatnának ilyen bőröket, mivel az űr tele van apró lövedékekkel – üstökösök és aszteroidák gyorsan mozgó törmelékdarabkáival. Ha egy ilyen homok- vagy kavicsméretű tárgy kilyukasztaná a hajó páncélzatát, egy öngyógyító anyagréteg légmentesen tartaná a kabint.
A meteoroidok nem az egyetlen veszélyforrás; az űr tele van sugárzással is. Az alacsony Föld körüli pályán keringő űrhajókat jelentősen védi bolygónk mágneses mezeje, amely a Föld középpontjában egy körülbelül 50 000 km széles, biztonságos buborékot alkot. Ezen a távolságon túl azonban a napkitörések és a kozmikus sugárzás veszélyt jelentenek az űrutazókra.
Jobbra: A napkitörés energikus sugárzást lövell az űrbe.
A tudósok még mindig keresik a jó megoldást. A trükk az, hogy megfelelő árnyékolást biztosítsanak anélkül, hogy sok plusz súlyt adnának az űrhajóhoz. Jelenleg a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén egy (MISSE) nevű kísérletben tesztelnek néhány könnyű sugárzásvédő anyagot. De ezek önmagukban nem lesznek elegendőek.
Az igazi rosszfiú a távoli szupernóva-robbanásokban keletkező galaktikus kozmikus sugárzás (GCR). Ez részben nagyon nehéz pozitív ionokból – például vasmagokból – áll, amelyek nagy sebességgel száguldanak. A nagy tömeg és a nagy sebesség kombinációja nagyon pusztítóvá teszi ezeket a kis atomi “ágyúgolyókat”. Amikor áthatolnak az emberek testének sejtjein, szétzúzhatják a DNS-t, ami betegségekhez és akár rákhoz is vezethet.
“Kiderült, hogy a legrosszabb anyagok, amelyeket a GCR elleni árnyékoláshoz használhatunk, a fémek” – jegyzi meg Bushnell. Amikor egy galaktikus komikus sugárzás eltalál egy fématomot, széttörheti az atom magját – ez a folyamat hasonló az atomerőművekben bekövetkező hasadáshoz. Az ilyen ütközések során keletkező másodlagos sugárzás rosszabb lehet, mint a GCR, amit a fémnek le kellett volna árnyékolnia.
A könnyű elemek, mint a hidrogén és a hélium, a legjobb védelmet jelentik ezekkel a GCR-állatokkal szemben, mert a velük való ütközés kevés másodlagos sugárzást eredményez. Egyesek azt javasolták, hogy a hajó lakótereit vegyék körül egy tartály folyékony hidrogénnel. Bushnell szerint egy 50-100 cm vastagságú folyékony hidrogénréteg megfelelő árnyékolást biztosítana. De a tartály és a kriogén rendszer valószínűleg nehéz és nehézkes lenne.
Itt is hasznosak lehetnek a nanocsövek. A szén nanocsövek rácsa nagy sűrűségben és extrém hideg nélkül képes hidrogént tárolni. Ha tehát a jövő űrhajóink már most is nanocsöveket használnak ultrakönnyű szerkezeti anyagként, vajon ezeket a csöveket is fel lehetne tölteni hidrogénnel, hogy sugárzásvédelmet szolgáljanak? A tudósok vizsgálják a lehetőséget.
Balra: Amikor a nagyenergiájú kozmikus sugárzás becsapódik az űrhajósok DNS-ébe, az rákos megbetegedésekhez vagy más sugárzás okozta betegségekhez vezető károsodást okozhat. A képek a NASA Biológiai és Fizikai Kutatási Hivatalának jóvoltából készültek.
Egy lépéssel továbbmenve, ennek a szerkezeti anyagnak a rétegeit más elemek atomjaival lehetne megspékelni, amelyek jól kiszűrik a sugárzás más formáit: bór és lítium például a neutronok kezelésére, alumínium pedig az elektronok elnyelésére.
Camping Out in the Cosmos
A Föld felszíne többnyire biztonságban van a kozmikus sugárzástól, de más bolygók nem ilyen szerencsések. A Marsnak például nincs erős globális mágneses mezeje, amely eltérítené a sugárzó részecskéket, és a légköri takarója 140-szer vékonyabb, mint a Földé. E két különbség miatt a Mars felszínén a sugárzási dózis körülbelül harmadakkora, mint a védtelen nyílt űrben. A jövő Mars-kutatóinak sugárvédelemre lesz szükségük.
“A hosszú távú menedékhez szükséges anyagok nagy részét nem vihetjük magunkkal a súly megfontolása miatt. Ezért az egyik dolog, amin dolgozunk, az az, hogy hogyan tudunk sugárzásvédő anyagokat készíteni az ott található elemekből” – mondja Sheila Thibeault, a LaRC egyik tudósa, aki a sugárzásvédelemre specializálódott.
Jobbra: A Marson tábort verő űrhajósoknak védelemre lesz szükségük az űrsugárzás ellen. Kép hitel: Frassanito and Associates, Inc.
Az egyik lehetséges megoldás a “marsi téglák”. Thibeault elmagyarázza: “Az asztronauták a Marson helyben rendelkezésre álló anyagokból sugárzásálló téglákat gyárthatnának, és ezekből építhetnének menedéket”. Például kombinálhatnák a Mars felszínét borító homokszerű “regolitot” egy olyan polimerrel, amelyet helyben állítanak elő szén-dioxidból és vízből, amelyek mindkettő bőségesen megtalálható a vörös bolygón. Ezt a keveréket mikrohullámokkal pörgetve olyan műanyagnak tűnő téglák jönnek létre, amelyek jó sugárzásvédelmet nyújtanak.
“A mikrohullámok segítségével gyorsan, nagyon kevés energiával és felszereléssel készíthetjük el ezeket a téglákat” – magyarázza. “Az általunk használt polimer pedig hozzájárul a regolit sugárzásvédő tulajdonságaihoz.”
A Mars-menedékeknek szükségük lenne az önérzékelő anyagok megbízhatóságára, az öngyógyító anyagok tartósságára és a többfunkciós anyagok súlymegtakarítására. Más szóval, egy marsi háznak és egy jó űrhajónak sok mindenre ugyanarra van szüksége. Thibeault szerint a kutatók mindezeket figyelembe veszik.”
A népek otthon
Az észbontóan fejlett anyagok a Földön is jól jönnek majd.”
“A NASA kutatásai természetesen az űrjárművekre összpontosítanak” – jegyzi meg Anna McGowan, a NASA Morphing Project (a Langley Research Centerben folyó fejlett anyagkutatás) vezetője. “Az alaptudományt azonban számos más területen is fel lehetne használni. Milliónyi járulékos haszna lehet.”
Balra: Az intelligens anyagokból készült, a holnap repülőgépeinek önhajlító szárnyai szárnyakkal rendelkezhetnek, amelyek fékszárnyak nélkül működnek – így csökkentve a légellenállást és az üzemanyagköltségeket.
De még nem. A legtöbb fejlett anyagból hiányzik a csiszolt, robusztus termékhez szükséges mérnöki finomítás. Nem állnak készen a főműsoridőre. A kutatók szerint azonban ez csak idő kérdése:
Weblinkek
Buck Rogers, vigyázz! — Science@NASA cikk: A NASA kutatói rovarokat és madarakat tanulmányoznak, és hátborzongató tulajdonságokkal rendelkező “intelligens” anyagokat használnak új, észbontó repülőgép-tervek kifejlesztésére.
Minták a jövőből — Science@NASA cikk: A jövő fejlett űrhajói olyan távoli anyagokból készülnek majd, amelyek rendkívüli ellenállóképességgel bírják a világűr zord környezetét. A Materials International Space Station Experiment (MISSE) célja, hogy kiderítse, mely anyagok működnek a legjobban.
Jobbra: A felkelő Nap hátterében a MISSE a Nemzetközi Űrállomáson kívül az űrbe nyúlik.
Mélyre merülünk és fedezékbe vonulunk — Science@NASA cikk: A holdi és marsi szennyeződések sugárzásvédelmet nyújthatnak a jövőbeni küldetések személyzetének. Lásd még: “Making Mars Bricks.”
Center for Nanotechnology (CNT) — a NASA Ames Research Centerben.
Needs of future missions — a jövőbeli űrkutatáshoz szükséges technológiák és néhány lehetséges megoldás felsorolása, a CNT-től.
Nanotube Links: Nanocsövek & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Kutatások a molekuláris elektronikában: nanoméretű tranzisztor az IBM-től; egyszerű logikai kapu nanodrótokból; testre szabható nanocső vezetékekhez vagy szerkezetekhez a Purdue Egyetemtől.
Az időjárás a Marson — Science@NASA cikk: A Mars jövőbeli emberi felfedezői a Földön hagyhatják az esernyőjüket, de talán a Geiger-számlálójukat se felejtsék otthon! Egy, a vörös bolygóra tartó NASA-kísérlet ezt szeretné kideríteni.
Vélemény, hozzászólás?