NASA – National Aeronautics and Space Administration

Jutrzejsze statki kosmiczne będą budowane przy użyciu zaawansowanych materiałów o zdumiewających właściwościach.

Posłuchaj tej historii za pośrednictwem strumienia audio, pliku do pobrania lub uzyskaj pomoc.

Wrzesień 16, 2002: „To, czego naprawdę szukam” – mówisz do sprzedawcy – „to samochód, który przejedzie co najmniej 10 000 mil bez tankowania, naprawia się automatycznie, jeździ z prędkością 500 mph i waży tylko kilkaset funtów.”

Kiedy on stoi z szeroko otwartymi oczami, dodajesz: „O tak, i mogę wydać tylko około jednej czwartej tego, co kosztują te inne samochody.”

Żądanie takie jak to z pewnością spowoduje, że zostaniesz wyśmiany na parkingu z nowymi samochodami. Ale pod wieloma względami, ten wymarzony samochód jest metaforą pojazdów kosmicznych, których będziemy potrzebować, aby rozszerzyć naszą eksplorację Układu Słonecznego w nadchodzących dekadach. Te nowe statki kosmiczne będą musiały być szybsze, lżejsze, tańsze, bardziej niezawodne, trwalsze i bardziej wszechstronne, a wszystko to w tym samym czasie.

NieMOŻLIWE? Zanim odpowiesz, zastanów się, jak ranczer sprzed 200 lat mógłby zareagować, gdyby człowiek poprosił o kupno konia, który mógłby biec 100 mph przez wiele godzin, przewozić całą jego rodzinę i cały bagaż, i śpiewać mu ulubione piosenki przez cały czas! Dziś nazywamy je minivanami.

Rewolucje technologiczne — jak rewolucja przemysłowa, która zastąpiła konie samochodami — mogą sprawić, że to, co dziś wydaje się niemożliwe, jutro stanie się powszechne.

Taka rewolucja ma miejsce właśnie teraz. Trzy z najszybciej rozwijających się nauk naszych czasów – biotechnologia, nanotechnologia i technologia informacyjna – zbiegają się, dając naukowcom bezprecedensową kontrolę nad materią w skali molekularnej. Z tej intelektualnej gorączki złota wyłania się nowa klasa materiałów o zdumiewających właściwościach, które brzmią bardziej jak dom w powieści science fiction niż na laboratoryjnym stole warsztatowym.

Wyobraź sobie, na przykład, substancję o 100-krotnie większej wytrzymałości niż stal, ale tylko 1/6 wagi; materiały, które natychmiast goją się po przebiciu; powierzchnie, które mogą „poczuć” naciskające na nie siły; przewody i elektronikę tak maleńkie jak molekuły; materiały strukturalne, które również generują i przechowują energię elektryczną; oraz ciecze, które mogą natychmiast zmienić się w ciało stałe i z powrotem według własnego uznania. Wszystkie te materiały istnieją już dzisiaj … a jeszcze więcej jest w drodze.

Z takimi niesamowitymi materiałami w zasięgu ręki, budowa lepszego statku kosmicznego zaczyna wyglądać nie tak daleko idąco.

Waga równa się pieniądze

Wyzwanie związane z następną generacją statków kosmicznych zależy od kilku podstawowych kwestii. First and foremost, of course, is cost.
„Even if all the technical obstacles were solved today, exploring our solar system still needs to be affordable to be practical,” says Dr. Neville Marzwell, manager of Revolutionary Aerospace Technology for NASA’s Next Decadal Planning Team.
Lowering the cost of space flight primarily means reducing weight. Każdy obcięty funt to funt, który nie będzie potrzebował napędu do ucieczki z ziemskiej grawitacji. Lżejsze statki kosmiczne mogą mieć mniejsze, bardziej wydajne silniki i mniej paliwa. To z kolei pozwala zaoszczędzić więcej wagi, tworząc korzystną spiralę oszczędności wagi i redukcji kosztów.

Prawda: Ta w pełni załadowana rakieta księżycowa Saturn V ważyła 6,2 miliona funtów. Była ciężka i droga do wystrzelenia.

Wyzwanie polega na zmniejszeniu wagi przy jednoczesnym zwiększeniu bezpieczeństwa, niezawodności i funkcjonalności. Samo usunięcie części nie wystarczy.

Naukowcy badają szereg nowych technologii, które mogłyby pomóc w odchudzeniu statków kosmicznych. Na przykład, materiały gossamer — które są ultra-cienkimi foliami — mogą być używane do anten lub paneli fotowoltaicznych w miejsce większych komponentów używanych obecnie, lub nawet do ogromnych żagli słonecznych, które zapewniają napęd przy masie tylko 4 do 6 gramów na metr kwadratowy.

Materiały kompozytowe, takie jak te używane w rakietach tenisowych z włókna węglowego i kijach golfowych, zrobiły już wiele, aby pomóc obniżyć wagę w projektach lotniczych i kosmicznych bez utraty wytrzymałości. Jednak nowa forma węgla zwana „nanorurką węglową” niesie obietnicę znacznego ulepszenia kompozytów: Najlepsze kompozyty mają 3 lub 4 razy większą wytrzymałość od stali wagowo – w przypadku nanorurek jest to 600 razy!

„Ta fenomenalna wytrzymałość pochodzi ze struktury molekularnej nanorurek”, wyjaśnia Dennis Bushnell, główny naukowiec w Langley Research Center (LaRC), Centrum Doskonałości Struktur i Materiałów NASA. Wyglądają one trochę jak drut z kurczaka zwinięty w cylinder z atomami węgla siedzącymi w każdym z rogów sześciokąta.

Typowo nanorurki są około 1,2 do 1,4 nanometrów w poprzek (nanometr to jedna miliardowa część metra), co jest tylko około 10 razy promień samych atomów węgla.
Powyżej: Siatka atomów węgla w nanorurce węglowej jest jak tablica do zawieszania innych rodzajów atomów i cząsteczek, aby nadać nanorurce specjalne właściwości chemiczne, elektryczne lub termiczne. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Wydział Fizyki Pennsylvania State University.

Nanorurki zostały odkryte dopiero w 1991 roku, ale już intensywne zainteresowanie społeczności naukowej ogromnie zwiększyło nasze możliwości tworzenia i wykorzystywania nanorurek. Zaledwie 2 do 3 lat temu, najdłuższe nanorurki, które zostały wykonane miały długość około 1000 nanometrów (1 mikron). Obecnie naukowcy są w stanie wyhodować rurki o długości nawet 200 milionów nanometrów (20 cm). Bushnell zauważa, że istnieje co najmniej 56 laboratoriów na całym świecie, które pracują nad masową produkcją tych maleńkich rurek.

„Czynione są wielkie postępy, więc tworzenie materiałów masowych przy użyciu nanorurek prawdopodobnie będzie miało miejsce” – mówi Bushnell. „Nie wiemy jednak, ile z tej 600-krotnej wytrzymałości stali wagowo będzie można zamanifestować w materiale masowym. Mimo to, nanorurki są naszym najlepszym wyborem.”

Prawda: Wytrzymałość nanorurek węglowych na rozciąganie znacznie przewyższa wytrzymałość innych materiałów o wysokiej wytrzymałości. Zauważ, że każdy przyrost na osi pionowej jest potęgą 10.

Poza samą wytrzymałością, nanorurki będą prawdopodobnie ważne dla innej części planu odchudzania statków kosmicznych: materiały, które mogą służyć więcej niż tylko jednej funkcji.

„Kiedyś budowaliśmy struktury, które były tylko głupie, martwe uchwyty wagi dla aktywnych części, takich jak czujniki, procesory i instrumenty,” wyjaśnia Marzwell. „Teraz tego nie potrzebujemy. Uchwyt może być integralną, aktywną częścią systemu.”

Wyobraź sobie, że ciało statku kosmicznego może również przechowywać energię, eliminując potrzebę stosowania ciężkich baterii. Albo, że powierzchnie mogłyby się same zginać, eliminując konieczność stosowania oddzielnych siłowników. Albo, że obwody mogłyby być wbudowane bezpośrednio w ciało statku kosmicznego. Kiedy materiały mogą być projektowane w skali molekularnej, takie holistyczne struktury stają się możliwe.

Skóry statków kosmicznych

Ludzie mogą poczuć nawet najmniejsze ukłucie w dowolnym miejscu swojego ciała. To zadziwiająca umiejętność samokontroli – możliwa, ponieważ skóra zawiera miliony mikroskopijnych zakończeń nerwowych, a także nerwy, które przenoszą te sygnały do mózgu.

Podobnie, materiały tworzące krytyczne systemy w statku kosmicznym mogłyby być osadzone w czujnikach w skali nanometrów, które stale monitorują stan materiałów. Jeśli jakaś część zaczyna szwankować – to znaczy „źle się czuje” – czujniki te mogłyby zaalarmować centralny komputer, zanim dojdzie do tragedii.

Przewody molekularne mogłyby przenosić sygnały z tych wszystkich wplecionych czujników do centralnego komputera, unikając niepraktycznej masy milionów i milionów dzisiejszych przewodów. Ponownie, nanorurki mogą być w stanie pełnić tę rolę. Wygodnie, nanorurki mogą działać jako przewodniki lub półprzewodniki, w zależności od tego, jak są wykonane. Naukowcy stworzyli molekularne druty z innych wydłużonych cząsteczek, z których niektóre nawet naturalnie samoczynnie składają się w użyteczne konfiguracje.

Po lewej: Ten piezoelektryczny materiał, opracowany w Langley Research Center (LaRC) NASA, może „czuć” deformacje, takie jak zginanie lub nacisk powierzchniowy, wytwarzając w odpowiedzi małe napięcie, które może działać jako sygnał dla centralnego komputera. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA’s Morphing Project w LaRC.

Twoja skóra jest również zdolna do samoleczenia. Wierzcie lub nie, ale niektóre zaawansowane materiały mogą robić to samo. Samoregenerujące się materiały wykonane z długołańcuchowych molekuł zwanych jonomerami reagują na penetrujący obiekt, taki jak pocisk, zamykając się za nim. Statki kosmiczne mogłyby używać takich powłok, ponieważ przestrzeń kosmiczna jest pełna maleńkich pocisków – szybko poruszających się odłamków komet i asteroid. Gdyby jeden z tych obiektów wielkości piasku lub kamyka przebił pancerz statku, warstwa samoregenerującego się materiału utrzymałaby kabinę w szczelności.

Meteoroidy nie są jedynym zagrożeniem; przestrzeń kosmiczna jest również wypełniona promieniowaniem. Statki kosmiczne na niskiej orbicie okołoziemskiej są w znacznym stopniu chronione przez pole magnetyczne naszej planety, które tworzy bezpieczną bańkę o szerokości około 50 000 km w centrum Ziemi. Jednak poza tą odległością rozbłyski słoneczne i promienie kosmiczne stanowią zagrożenie dla podróżujących w kosmosie.

Prawda: Rozbłysk słoneczny wyrzuca w przestrzeń kosmiczną energetyczne promieniowanie.

Naukowcy wciąż szukają dobrego rozwiązania. Sztuką jest zapewnienie odpowiedniej osłony bez dodawania dużej ilości dodatkowego ciężaru do statku kosmicznego. Niektóre lekkie materiały chroniące przed promieniowaniem są obecnie testowane w eksperymencie o nazwie (MISSE) na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ale one same nie wystarczą.

Prawdziwym złym człowiekiem jest Galaktyczne Promieniowanie Kosmiczne (GCR) wytwarzane w odległych eksplozjach supernowych. Składa się ono, częściowo, z bardzo ciężkich jonów dodatnich – takich jak jądra żelaza – pędzących z ogromną prędkością. Połączenie dużej masy i dużej prędkości sprawia, że te małe atomowe „kule armatnie” są bardzo niszczycielskie. Kiedy przebijają się przez komórki ludzkiego ciała, mogą rozbijać DNA, prowadząc do chorób, a nawet raka.

„Okazuje się, że najgorszymi materiałami, jakich można użyć do osłony przed GCR, są metale” – zauważa Bushnell. Kiedy galaktyczny promień komiczny uderza w atom metalu, może rozbić jego jądro – jest to proces podobny do rozszczepienia, które zachodzi w elektrowniach atomowych. Promieniowanie wtórne wytwarzane przez te kolizje może być gorsze niż GCR, które metal miał osłaniać.

Ironicznie, lekkie pierwiastki jak wodór i hel są najlepszą obroną przed tymi brutalami GCR, ponieważ kolizje z nimi wytwarzają niewiele promieniowania wtórnego. Niektórzy ludzie zasugerowali otoczenie pomieszczeń mieszkalnych statku zbiornikiem ciekłego wodoru. Według Bushnella, warstwa ciekłego wodoru o grubości 50 do 100 cm zapewniłaby odpowiednią osłonę. Ale zbiornik i system kriogeniczny będą prawdopodobnie ciężkie i kłopotliwe.

Również w tym przypadku nanorurki mogą być użyteczne. Siatka nanorurek węglowych może przechowywać wodór przy dużej gęstości i bez potrzeby ekstremalnego chłodzenia. Jeśli więc nasze przyszłe statki kosmiczne wykorzystują nanorurki jako ultralekki materiał konstrukcyjny, czy można by je również wypełnić wodorem, aby służyły jako osłona przed promieniowaniem? Naukowcy badają tę możliwość.

Po lewej: Kiedy wysokoenergetyczne promienie kosmiczne uderzają w DNA astronautów, może to spowodować uszkodzenia prowadzące do nowotworów lub innych chorób wywołanych promieniowaniem. Zdjęcia dzięki uprzejmości NASA’s Office of Biological and Physical Research.

Pójście o krok dalej, warstwy tego materiału strukturalnego mogą być zasznurowane atomami innych pierwiastków, które są dobre w filtrowaniu innych form promieniowania: boru i litu, aby poradzić sobie z neutronami, i aluminium, aby pochłonąć elektrony, na przykład.

Camping Out in the Cosmos

Powierzchnia Ziemi jest w większości bezpieczna od promieniowania kosmicznego, ale inne planety nie mają tyle szczęścia. Mars, na przykład, nie ma silnego globalnego pola magnetycznego, które odbijałoby cząstki promieniowania, a jego koc atmosferyczny jest 140 razy cieńszy niż ziemski. Te dwie różnice sprawiają, że dawka promieniowania na powierzchni Marsa jest o jedną trzecią mniejsza niż w niechronionej otwartej przestrzeni kosmicznej. Przyszli odkrywcy Marsa będą potrzebowali osłon przed promieniowaniem.

„Nie możemy zabrać ze sobą większości materiałów na długoterminowe schronienie ze względu na wagę. Pracujemy więc nad tym, jak stworzyć materiały chroniące przed promieniowaniem z elementów, które tam znajdziemy” – mówi Sheila Thibeault, naukowiec z LaRC, która specjalizuje się w osłonach przed promieniowaniem.

Prawda: Astronauci zakładający obóz na Marsie będą potrzebowali ochrony przed promieniowaniem kosmicznym. Image credit:Frassanito and Associates, Inc.

Jednym z możliwych rozwiązań są „cegły marsjańskie”. Thibeault wyjaśnia: „Astronauci mogliby produkować odporne na promieniowanie cegły z materiałów dostępnych lokalnie na Marsie i używać ich do budowy schronień”. Mogliby, na przykład, połączyć podobny do piasku „regolit”, który pokrywa powierzchnię Marsa z polimerem wykonanym na miejscu z dwutlenku węgla i wody, obficie występujących na czerwonej planecie. W wyniku oddziaływania mikrofalami na tę mieszaninę powstają plastikowo wyglądające cegły, które stanowią dobrą osłonę przed promieniowaniem.

„Używając mikrofal, możemy wykonać te cegły szybko, przy użyciu bardzo małej ilości energii lub sprzętu,” wyjaśnia. „A polimer, którego byśmy użyli, zwiększa właściwości ochronne regolitu przed promieniowaniem.”

Schrony na Marsie potrzebowałyby niezawodności materiałów samo-odczuwających, trwałości materiałów samoregenerujących się i oszczędności wagi materiałów wielofunkcyjnych. Innymi słowy, dom na Marsie i dobry statek kosmiczny potrzebują wielu z tych samych rzeczy. Wszystkie z nich są rozważane przez naukowców, mówi Thibeault.

The Folks Back Home
Zaskakujące zaawansowane materiały przydadzą się również na Ziemi.
„Badania NASA są z pewnością skoncentrowane na pojazdach kosmicznych”, zauważa Anna McGowan, kierownik Projektu Morphing NASA (badania nad zaawansowanymi materiałami w Langley Research Center). „Jednak podstawowa wiedza naukowa może być wykorzystana w wielu innych dziedzinach. Mogłyby być miliony dodatkowych korzyści.”

Lewy: Wykonane z inteligentnych materiałów, samoloty jutra mogłyby mieć samozginające się skrzydła, które działają bez klap — zmniejszając w ten sposób opór powietrza i obniżając koszty paliwa.

Ale jeszcze nie teraz. Większości zaawansowanych materiałów brakuje inżynierskiego dopracowania, niezbędnego do stworzenia dopracowanego, solidnego produktu. Nie są gotowe na premierę. Mimo to, jak twierdzą naukowcy, jest to tylko kwestia czasu: W końcu ten sprzedawca samochodów przestanie się śmiać … i zacznie sprzedawać twoją maszynę marzeń z kosmosu.

Web Links

Buck Rogers, Watch Out! — Artykuł Science@NASA: Naukowcy NASA studiują owady i ptaki, i używają „inteligentnych” materiałów o niesamowitych właściwościach, aby opracować nowe i zadziwiające projekty samolotów.

Próbki przyszłości — Science@NASA artykuł: Zaawansowane statki kosmiczne jutra będą wykonane z odległych materiałów o niezwykłej odporności na surowe środowisko kosmiczne. Materials International Space Station Experiment (MISSE) ma na celu sprawdzenie, które materiały sprawdzają się najlepiej.

Po prawej: Na tle wschodzącego Słońca, MISSE wystaje w kosmos poza Międzynarodową Stację Kosmiczną.

Zagłębiając się i kryjąc — artykuł Science@NASA: Księżycowy i marsjański brud mógłby stanowić osłonę przed promieniowaniem dla załóg w przyszłych misjach. Zobacz także „Making Mars Bricks.”

Center for Nanotechnology (CNT) — w NASA’s Ames Research Center.

Needs of future missions — lista technologii potrzebnych do przyszłej eksploracji kosmosu i kilka możliwych rozwiązań, z CNT.

Nanotube Links: Nanotubes & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).

Badania nad elektroniką molekularną: tranzystor w skali nano z IBM; prosta bramka logiczna wykonana z nanodrutów; konfigurowalna nanorurka do drutów lub struktur z Purdue University.

Pogoda kosmiczna na Marsie — artykuł Science@NASA: Przyszli ludzcy odkrywcy Marsa mogą zostawić swoje parasole z powrotem na Ziemi, ale być może nie powinni zapominać o swoich licznikach Geigera! Eksperyment NASA w drodze na Czerwoną Planetę ma na celu sprawdzenie tego.