Vehiculele spațiale de mâine vor fi construite folosind materiale avansate cu proprietăți uluitoare.
Ascultați această știre prin streaming audio, un fișier descărcabil, sau primiți ajutor.
16 septembrie 2002: „Ceea ce caut cu adevărat”, îi spuneți vânzătorului, „este o mașină care să parcurgă cel puțin 10.000 de mile între alimentări, să se repare singură automat, să ruleze la 800 km/h și să cântărească doar câteva sute de kilograme.”
În timp ce el stă cu ochii mari, adăugați: „Oh, da, și pot cheltui doar un sfert din cât costă celelalte mașini.”
.
O astfel de cerere vă va face cu siguranță să râdeți de pe lotul de mașini noi. Dar, în multe privințe, această mașină de vis este o metaforă pentru vehiculele spațiale de care vom avea nevoie pentru a ne extinde explorarea sistemului solar în următoarele decenii. Aceste noi nave spațiale vor trebui să fie mai rapide, mai ușoare, mai ieftine, mai fiabile, mai durabile și mai versatile, toate în același timp.
Imposibil? Înainte de a răspunde, gândiți-vă cum ar fi reacționat un crescător de animale de acum 200 de ani dacă un om i-ar fi cerut să cumpere un cal care să poată alerga cu 160 km/h ore în șir, să îi transporte întreaga familie și toate bagajele și să îi cânte în tot acest timp cântecele sale preferate! Astăzi le numim monovolume.
Revoluțiile în tehnologie – precum Revoluția Industrială care a înlocuit caii cu mașinile – pot face ca ceea ce pare imposibil astăzi să devină banal mâine.
O astfel de revoluție se întâmplă chiar acum. Trei dintre științele cu cea mai rapidă creștere din zilele noastre – biotehnologia, nanotehnologia și tehnologia informației – converg pentru a oferi oamenilor de știință un control fără precedent asupra materiei la scară moleculară. Din această avalanșă de aur intelectual se desprinde o nouă clasă de materiale cu proprietăți uimitoare, care par mai potrivite pentru un roman științifico-fantastic decât pentru bancul de lucru al laboratorului.
Imaginați-vă, de exemplu, o substanță cu o rezistență de 100 de ori mai mare decât cea a oțelului, dar cu o greutate de numai 1/6 din cea a oțelului; materiale care se vindecă instantaneu atunci când sunt înțepate; suprafețe care pot „simți” forțele care apasă asupra lor; fire și electronice la fel de mici ca moleculele; materiale structurale care generează și stochează electricitate; și lichide care pot trece instantaneu la solid și invers, după bunul plac. Toate aceste materiale există în prezent… și altele sunt pe drum.
Cu astfel de materiale uluitoare la îndemână, construirea unei nave spațiale mai bune începe să nu pară atât de îndepărtată, până la urmă.
Greutatea este egală cu banii
Provocarea navei spațiale de generație următoare se bazează pe câteva aspecte principale. Prima și cea mai importantă, desigur, este costul.
„Chiar dacă toate obstacolele tehnice ar fi rezolvate astăzi, explorarea sistemului nostru solar tot trebuie să fie accesibilă pentru a fi practică”, spune Dr. Neville Marzwell, manager al Tehnologiei Aerospațiale Revoluționare pentru Echipa de Planificare a Următorului Deceniu a NASA.
Diminuarea costului zborurilor spațiale înseamnă în primul rând reducerea greutății. Fiecare kilogram tăiat este un kilogram care nu va avea nevoie de propulsie pentru a scăpa de gravitația terestră. Navele spațiale mai ușoare pot avea motoare mai mici, mai eficiente și mai puțin combustibil. Acest lucru, la rândul său, economisește mai multă greutate, creând astfel o spirală benefică de economisire a greutății și de reducere a costurilor.
Direct: Această rachetă lunară Saturn V complet încărcată cântărea 6,2 milioane de lire sterline. A fost grea și costisitoare la lansare.
Provocarea este de a reduce greutatea, crescând în același timp siguranța, fiabilitatea și funcționalitatea. Simpla omitere a unor piese nu va fi suficientă.
Cercetătorii explorează o serie de noi tehnologii care ar putea ajuta navele spațiale să slăbească. De exemplu, materialele gossamer – care sunt pelicule ultra-subțiri – ar putea fi folosite pentru antene sau panouri fotovoltaice în locul componentelor mai voluminoase folosite în prezent, sau chiar pentru vaste pânze solare care să asigure propulsia în timp ce au o masă de numai 4 până la 6 grame pe metru pătrat.
Materialele compozite, cum ar fi cele folosite în rachetele de tenis și crosele de golf din fibră de carbon, au făcut deja multe pentru a ajuta la reducerea greutății în proiectele aerospațiale fără a compromite rezistența. Dar o nouă formă de carbon numită „nanotub de carbon” promite o îmbunătățire spectaculoasă a materialelor compozite: Cele mai bune compozite au o rezistență de 3 sau 4 ori mai mare decât cea a oțelului în funcție de greutate – pentru nanotuburi, aceasta este de 600 de ori!
„Această rezistență fenomenală provine din structura moleculară a nanotuburilor”, explică Dennis Bushnell, cercetător șef la Langley Research Center (LaRC), Centrul de Excelență pentru Structuri și Materiale al NASA. Aceștia arată puțin ca o sârmă de pui rulată într-un cilindru, cu atomi de carbon așezați la fiecare dintre colțurile hexagonului.
În mod obișnuit, nanotuburile au un diametru de aproximativ 1,2 până la 1,4 nanometri (un nanometru este o miliardime de metru), ceea ce reprezintă doar de aproximativ 10 ori raza atomilor de carbon în sine.
Deasupra: Rețeaua de atomi de carbon dintr-un nanotub de carbon este ca o placă de agățat pentru a agăța alte tipuri de atomi și molecule pentru a conferi nanotubului proprietăți chimice, electrice sau termice speciale. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Departamentul de Fizică Pennsylvania State University.
Nanotuburile au fost descoperite abia în 1991, dar deja interesul intens al comunității științifice a făcut să avanseze enorm capacitatea noastră de a crea și utiliza nanotuburile. Cu numai 2-3 ani în urmă, cei mai lungi nanotuburi care fuseseră realizate aveau o lungime de aproximativ 1000 de nanometri (1 micron). Astăzi, oamenii de știință sunt capabili să crească tuburi cu o lungime de până la 200 de milioane de nanometri (20 cm). Bushnell remarcă faptul că există cel puțin 56 de laboratoare din întreaga lume care lucrează pentru a produce în masă aceste tuburi minuscule.
„Se fac pași mari, așa că realizarea de materiale în vrac folosind nanotuburi se va întâmpla probabil”, spune Bushnell. „Ceea ce nu știm este cât de mult din această rezistență de 600 de ori mai mare decât cea a oțelului în greutate se va manifesta într-un material în vrac. Cu toate acestea, nanotuburile sunt cel mai bun pariu al nostru.”
Direct: Rezistența la tracțiune a nanotuburilor de carbon o depășește cu mult pe cea a altor materiale cu rezistență ridicată. Rețineți că fiecare creștere pe axa verticală este o putere de 10.
Peste simpla lor rezistență, nanotuburile vor fi probabil importante pentru o altă parte a planului de reducere a greutății navelor spațiale: materiale care pot îndeplini mai mult de o singură funcție.
„Obișnuiam să construim structuri care erau doar suporturi stupide, cu greutate moartă, pentru părțile active, cum ar fi senzorii, procesoarele și instrumentele”, explică Marzwell. „Acum nu mai avem nevoie de asta. Suportul poate fi o parte integrantă, activă a sistemului.”
Imaginați-vă că corpul unei nave spațiale ar putea, de asemenea, să stocheze energie, eliminând nevoia de baterii grele. Sau că suprafețele s-ar putea îndoi singure, renunțând la actuatori separați. Sau că circuitele ar putea fi încorporate direct în corpul navei spațiale. Atunci când materialele pot fi proiectate la scară moleculară, astfel de structuri holistice devin posibile.
Piei de nave spațiale
Oamenii pot simți chiar și cea mai mică înțepătură oriunde pe corpul lor. Este o parte uimitoare de automonitorizare – posibilă deoarece pielea ta conține milioane de terminații nervoase microscopice, precum și nervi care să transporte aceste semnale către creier.
La fel, materialele care alcătuiesc sistemele critice dintr-o navă spațială ar putea fi încorporate cu senzori la scară nanometrică care să monitorizeze constant starea materialelor. Dacă o anumită piesă începe să cedeze – adică „se simte rău” – acești senzori ar putea alerta computerul central înainte ca tragedia să se producă.
Firele moleculare ar putea transporta semnalele de la toți acești senzori încorporați către computerul central, evitând volumul impracticabil al milioanelor și milioanelor de fire de astăzi. Din nou, nanotuburile ar putea îndeplini acest rol. În mod convenabil, nanotuburile pot acționa fie ca și conductori, fie ca și semiconductori, în funcție de modul în care sunt fabricate. Oamenii de știință au realizat fire moleculare din alte molecule alungite, dintre care unele chiar se autoasamblează în mod natural în configurații utile.
Stânga: Acest material piezoelectric, dezvoltat la Centrul de Cercetare Langley (LaRC) al NASA, poate „simți” deformări precum îndoirea sau presiunea de suprafață, producând ca răspuns o mică tensiune care poate acționa ca un semnal pentru un calculator central. Pentru imagine, mulțumim NASA’s Morphing Project de la LaRC.
Pelea dumneavoastră este, de asemenea, capabilă să se vindece singură. Credeți sau nu, unele materiale avansate pot face același lucru. Materialele care se autovindecă, realizate din molecule cu lanț lung numite ionomeri, reacționează la un obiect penetrant, cum ar fi un glonț, închizându-se în spatele acestuia. Navele spațiale ar putea folosi astfel de piei, deoarece spațiul este plin de proiectile minuscule – fragmente de resturi de comete și asteroizi care se deplasează rapid. În cazul în care unul dintre aceste obiecte, de mărimea nisipului sau a pietricelelor, ar perfora armura navei, un strat de material autovindecător ar menține cabina etanșă.
Meteoroizii nu sunt singurul pericol; spațiul este, de asemenea, plin de radiații. Navele spațiale aflate pe orbita joasă a Pământului sunt protejate substanțial de câmpul magnetic al planetei noastre, care formează o bulă sigură cu o lățime de aproximativ 50.000 km centrată pe Pământ. Totuși, dincolo de această distanță, erupțiile solare și razele cosmice reprezintă o amenințare pentru călătorii spațiali.
Dreapta: O erupție solară aruncă radiații energetice în spațiu.
Cercetătorii încă mai caută o soluție bună. Trucul este de a asigura o ecranare adecvată fără a adăuga o mulțime de greutate suplimentară la nava spațială. Unele materiale ușoare de ecranare a radiațiilor sunt în prezent testate în cadrul unui experiment numit (MISSE) la bordul Stației Spațiale Internaționale. Dar acestea singure nu vor fi suficiente.
Realul băiat rău este radiația cosmică galactică (GCR) produsă în exploziile de supernove îndepărtate. Aceasta constă, în parte, din ioni pozitivi foarte grei – cum ar fi nucleele de fier – care se deplasează cu mare viteză. Combinația dintre masa mare și viteza mare face ca aceste mici „ghiulele atomice” să fie foarte distructive. Când străpung celulele din corpul oamenilor, ele pot distruge ADN-ul, ducând la boli și chiar la cancer.
„Se pare că cele mai proaste materiale pe care le puteți folosi pentru a vă proteja împotriva GCR sunt metalele”, notează Bushnell. Atunci când o rază cosmică galactică lovește un atom metalic, aceasta poate sparge nucleul atomului – un proces asemănător fisiunii care are loc în centralele nucleare. Radiația secundară produsă de aceste coliziuni poate fi mai rea decât GCR-ul pe care metalul era menit să îl protejeze.
Ironic, elementele ușoare precum hidrogenul și heliul sunt cea mai bună apărare împotriva acestor brute GCR, deoarece coliziunile cu acestea produc puține radiații secundare. Unii oameni au sugerat să înconjoare încăperile de locuit ale navei cu un rezervor de hidrogen lichid. Potrivit lui Bushnell, un strat de hidrogen lichid cu o grosime de 50 până la 100 cm ar asigura o protecție adecvată. Dar rezervorul și sistemul criogenic vor fi probabil grele și incomode.
Și aici, nanotuburile ar putea fi utile. O rețea de nanotuburi de carbon poate stoca hidrogenul la densități mari și fără a fi nevoie de frig extrem. Așadar, dacă nava noastră spațială a viitorului folosește deja nanotuburi ca material structural ultraușor, ar putea acele tuburi să fie, de asemenea, încărcate cu hidrogen pentru a servi ca scut împotriva radiațiilor? Oamenii de știință analizează această posibilitate.
Lovitură: Atunci când razele cosmice de mare energie se lovesc de ADN-ul astronauților, acestea pot provoca daune care duc la cancere sau alte boli induse de radiații. Imagini prin amabilitatea Biroului de Cercetări Biologice și Fizice al NASA.
Cu un pas mai departe, straturile acestui material structural ar putea fi îmbinate cu atomi de alte elemente care sunt bune la filtrarea altor forme de radiații: bor și litiu pentru a face față neutronilor și aluminiu pentru a absorbi electronii, de exemplu.
Camping Out in the Cosmos
Suprafața Pământului este în mare parte în siguranță față de radiațiile cosmice, dar alte planete nu sunt la fel de norocoase. Marte, de exemplu, nu are un câmp magnetic global puternic care să devieze particulele de radiații, iar pătura sa atmosferică este de 140 de ori mai subțire decât cea a Pământului. Aceste două diferențe fac ca doza de radiații de pe suprafața marțiană să fie cu aproximativ o treime mai intensă decât în spațiul deschis neprotejat. Viitorii exploratori marțieni vor avea nevoie de scut împotriva radiațiilor.
„Nu putem lua cu noi majoritatea materialelor pentru un adăpost pe termen lung din cauza greutății. Așa că un lucru la care lucrăm este cum să fabricăm materiale care să protejeze împotriva radiațiilor din elementele pe care le găsim acolo”, spune Sheila Thibeault, om de știință de la LaRC, specializată în protecția împotriva radiațiilor.
Drept: Astronauții care își instalează tabăra pe Marte vor avea nevoie de protecție împotriva radiațiilor spațiale. Credit imagine: Frassanito and Associates, Inc.
O posibilă soluție sunt „cărămizile marțiene”. Thibeault explică: „Astronauții ar putea produce cărămizi rezistente la radiații din materiale disponibile la fața locului pe Marte și le-ar putea folosi pentru a construi adăposturi”. Aceștia ar putea, de exemplu, să combine „regolitul” asemănător nisipului care acoperă suprafața marțiană cu un polimer fabricat la fața locului din dioxid de carbon și apă, ambele abundente pe planeta roșie. Zapping-ul acestui amestec cu microunde creează cărămizi cu aspect de plastic care se dublează ca o bună protecție împotriva radiațiilor.
„Prin utilizarea microundei, putem face aceste cărămizi rapid, folosind foarte puțină energie sau echipament”, explică ea. „Iar polimerul pe care l-am folosi se adaugă la proprietățile de protecție împotriva radiațiilor ale regolitului.”
Acoperișurile de pe Marte ar avea nevoie de fiabilitatea materialelor cu autodetecție, de durabilitatea materialelor cu autovindecare și de economia de greutate a materialelor multifuncționale. Cu alte cuvinte, o casă pe Marte și o navă spațială bună au nevoie de multe dintre aceleași lucruri. Toate acestea sunt luate în considerare de cercetători, spune Thibeault.
The Folks Back Home
Materialele avansate uluitoare vor fi utile și pe Pământ.
„Cercetările NASA se concentrează cu siguranță pe vehiculele aerospațiale”, notează Anna McGowan, manager al proiectului Morphing al NASA (un efort de cercetare a materialelor avansate la Centrul de Cercetare Langley). „Cu toate acestea, știința de bază ar putea fi utilizată în multe alte domenii. Ar putea exista milioane de efecte secundare.”
Lovitură: Confecționate din materiale inteligente, avioanele de mâine ar putea avea aripi care se îndoaie singure și care funcționează fără flapsuri – reducând astfel rezistența la înaintare și scăzând costurile de combustibil.
Dar nu încă. Majoritatea materialelor avansate nu dispun de rafinamentul ingineresc necesar pentru a obține un produs lustruit și robust. Acestea nu sunt pregătite pentru momentul de debut. Chiar și așa, spun cercetătorii, este doar o chestiune de timp: În cele din urmă, vânzătorul de mașini va înceta să mai râdă … și va începe să vândă mașina ta de vis din era spațială.
Legături web
Buck Rogers, ai grijă! — Articol din Science@NASA: Cercetătorii de la NASA studiază insectele și păsările și folosesc materiale „inteligente” cu proprietăți ciudate pentru a dezvolta noi și halucinante modele de aeronave.
Samples of the Future — articol Science@NASA: Navele spațiale avansate de mâine vor fi confecționate din materiale îndepărtate, cu o rezistență extraordinară la mediul dur al spațiului. Experimentul Materials International Space Station Experiment (MISSE) își propune să afle ce materiale funcționează cel mai bine.
Dreapta: Pe fundalul Soarelui care răsare, MISSE iese în spațiu în afara Stației Spațiale Internaționale.
Digging in and taking cover — Articol din Science@NASA: Murdăria lunară și marțiană ar putea oferi protecție împotriva radiațiilor pentru echipajele din viitoarele misiuni. Vezi și „Making Mars Bricks.”
Center for Nanotechnology (CNT) — la Centrul de Cercetare Ames al NASA.
Needs of future missions — lista tehnologiilor necesare pentru viitoarele explorări spațiale și câteva soluții posibile, de la CNT.
Nanotube Links: Nanotuburi & Buckyballs (Nanotechnology Now); Nanotuburi de carbon (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Cercetări în domeniul electronicii moleculare: un tranzistor la scară nanometrică de la IBM; o poartă logică simplă realizată din nanofire; un nanotub personalizabil pentru fire sau structuri de la Universitatea Purdue.
Meritul spațial pe Marte — articol Science@NASA: Viitorii exploratori umani de pe Marte își pot lăsa umbrelele pe Pământ, dar poate că nu ar trebui să își uite contoarele Geiger! Un experiment NASA în drum spre Planeta Roșie își propune să afle acest lucru.
Lasă un răspuns