Материалтану
Ғарыштық ортаның наноқұрылымдарға әсерін эксперименттік және математикалық модельдеудің ерекшеліктері
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
Ғарыштық ортаның наноқұрылымдарға әсерін эксперименттік және математикалық модельдеудің ерекшеліктеріМодельдеудің жалпы принциптері Зымыран-ғарыш техникасының бұйымдарына түбегейлі жаңа қасиеттері бар наноматериалдарды енгізу олардың ғарыштың төтенше жағдайларындағы мінез-құлқын жан-жақты зерттеу қажеттілігімен байланысты. Радиациялық әсер мысалында ғарыш техникасының дәстүрлі материалдарына қатысты жоғарыда қарастырылған зертханалық және математикалық модельдеу әдістерінің табиғи эксперименттермен үйлесуіне негізделген ,зерттеу жүргізудің жалпы тәсілі наноматериалдар үшін ең тиімді болып қала береді. Алайда, наноматериалдарды қолданған жағдайда, ҒКФ әсерінен туындаған процестер туралы көптеген физикалық идеяларды қайта қарау және осы процестерді зерттеудің жаңа әдістерін жасау қажет. Мысалы, наноматериалдар мен наноқұрылымдарға радиациялық әсер ету кезінде ядролық өзара әрекеттесу өнімдерінің бөлшектердің соқтығысу аймағынан кетуі қарастырылып отырған құрылымдағы зат мөлшерін және бастапқы сәулелену энергиясының бөліну кеңістігін айтарлықтай өзгертеді. Сондықтан, бұл жағдайда дәстүрлі түсіндіруде "сіңірілген доза" ұғымы физикалық мағынасын ішінара жоғалтады және ағып жатқан процестердің ерекшеліктерін зерттеу негізінде "нанодозиметрияда" қолдануға болатын жаңа физикалық ұғымдар мен терминдерді жасау қажет. Наноматериалдардың иондық тозаңдануы, олардың жердің жоғарғы атмосферасының бейтарап атомдық оттегімен шашырауы, ғарыштық шаң бөлшектерінің және басқа процестердің әсеріне қатысты осындай ескертулер жасалуы мүмкін. Ғарыш техникасы бұйымдарының құрамында пайдаланылатын дәстүрлі көлемді материалдарға қатысты, ғарыш жағдайларына қатысты әсер етуші сәулеленулердің қарқындылығы едәуір ұлғайған кезде жеделдетілген сынақтар жүргізу мүмкіндігін, белгілі бір түрлердің сәулеленуін басқа сәулеленулермен ауыстыру мүмкіндігін, үлестірілген энергетикалық спектрлері бар ағындардың орнына зарядталған бөлшектердің моноэнергетикалық шоғырларын қолдану мүмкіндігін көздейтін зертханалық сынақтар әдістемесі және т. б. жақсы пысықталған, дегенмен, ол, сөзсіз,, зерттелетін материалдардың түріне және оларды пайдаланудың болжамды жағдайларына байланысты өзгереді. Наноматериалдар үшін қасиеттері көлемді материалдардың қасиеттерінен айтарлықтай ерекшеленетін наноматериалдар үшін ұқсас әдіс әлі жасалмаған. ҒКФ-тың наноқұрылымдарға, наноматериалдарға және олардан жасалған ҒА конструкциясы мен жабдығының элементтеріне әсерін математикалық модельдеудің бірқатар ерекшеліктері бар. ҒКФ әсерінен туындаған материалдар қасиеттерінің өзгеруі әр түрлі кеңістіктік масштабтарға қатысты құрылымдық параметрлермен және процестермен анықталады: атомдар мен молекулалардың мөлшерінен қарастырылатын өнімдердің мөлшеріне дейін. Сонымен қатар, наноматериалдар үшін олардың құрамына кіретін нанобөлшектер мен наноқұрылымдар көрсетілген өлшем тізбегінде шешуші рөл атқарады. Сондықтан, наноматериалдарды қолдана отырып жасалған объектілердің ғарыш кеңістігіндегі қасиеттері мен мінез- құлқын математикалық сипаттау кезінде наноөлшемді құрылымдарда жүретін процестерді ескеру және модельдеу, сонымен қатар модельдерде осы процестердің басқа кеңістіктік масштабтарға тән процестермен әр түрлі байланысын анықтау және ескеру қажет. Осылайша, жалпы жағдайда өлшем -уақыт иерархиясы суретте көрсетілген есептеу әдістерінің белгілі бір жиынтығын қолдануға негізделген көп масштабты модельдеуді қолдану қажет. 7.35. Қазіргі уақытта суретте көрсетілген қарама-қарсы жиектерге қатысты әдістер сенімділік пен дәлдіктің жоғары деңгейіне жетті. 7.35 өлшемді ауқымы. Макро деңгейдегі процестер мен объектілерді модельдеу үшін үздіксіз орта механикасының әдістері және кеңістіктік торларды қолдана отырып объектілерді сипаттау мен зерттеудің әртүрлі әдістері сәтті қолданылады. Макромодельдеу әдістері бірнеше ондаған микрометрден асатын объектілер мен құбылыстарды талдау үшін қолданылады, бұл процестердің секундтан сағат пен жылға дейінгі кезеңдеріне тән. Бұл әдістер статистикалық заңдылықтарға негізделген және берілген жасуша өлшемдерінде есептеу параметрлерін орташа деңгейге келтіру мүмкіндігін ұсынады. Осы топтың есептеу әдістерін қолдану мысалдары ретінде гетерогенді құрылымы бар күрделі конфигурациядағы нақты ҒА ғарыштық сәулеленудің әсер ету процестерін математикалық модельдеудің жоғарыда сипатталған әдістерін көрсетуге болады. Қарама-қарсы шетінде ұсынылған сур. 5.35 өлшемді диапазон - ~10 -10- 10-9 м аймағында - кванттық механика теңдеулерінің сандық интеграциясына негізделген кванттық механикалық есептеу әдістері қолданылады, атап айтқанда Шредингер теңдеуі және оларды қолдану үшін ешқандай эмпирикалық болжам қажет емес. Сондықтан мұндай әдістер көбінесе "алғашқы принциптерден" бастау алады (лат. ab initio-басынан бастап). "Алғашқы принциптердің" әдістерімен әдетте 100 атомнан аспайтын жүйелерді модельдеуге болады. Есептеу модельдеріне кіретін бөлшектерді көбейту үшін бұл әдіс кейбір жеңілдетілген болжамдармен және параметрлермен толықтырылады, оларды пайдалану есептеу көлемін азайтуға мүмкіндік береді. Тығыздық функционалы теориясының (density functional theory, DFT) әдісі өте тиімді болып табылады. Бұл әдісте көп электронды толқындық функцияны қолдана отырып, зерттелетін жүйені сипаттау электронды тығыздықты бөлу арқылы оның сипаттамасымен ауыстырылады. Сандар көлемінің едәуір қысқаруы электронды тығыздықтың таралуын сипаттау үшін үш координатаның жеткілікті болуымен қамтамасыз етіледі, ал N электронды жүйе үшін көп электронды толқындық функция 3N айнымалыға байланысты болады. ТФТ әдісін қолдана отырып, нүктелік ақаулардың да, олардың кішкентай кластерлерінің де пайда болуы мен көші-қон энергиясының мәні жоғары дәлдікпен есептеледі. Тез ұшатын бөлшектердің наноқұрылымдарға әсерін модельдеу үшін ТФТ әдісі көбінесе молекулалық динамика алгоритмдерімен және (time - dependent density functional theory, TDDFT) стационарлы емес әдісімен бірге қолданылады. Жартылай эмпирикалық есептеу әдістері эксперименттік мәліметтер негізінде алынған белгілі бір параметрлерді қолдануды қамтиды. Жартылай эмпирикалық әдістердің ішінде жиі қолданылатын күшті байланыс әдісі (tight-binding әдісі) көрсетілуі керек, ол кристалл торының ионы ұстап алған электрон осы ионның жанында ұзақ уақыт тұрады және іс жүзінде басқа иондардың әсерін сезінбейді. Осы тәсілдің арқасында Шредингер теңдеуіндегі гамильтониан параметрленуі мүмкін, бұл есептеулерді едәуір жеңілдетеді. Жартылай эмпирикалық әдістер көлденең өлшемдері ~10 -9-10-8 м және бөлшектер саны 10 3-104 дейінгі объектілерді талдау үшін қолданылады . Бұл әдістер класына әдетте ТФТ әдісіне қарағанда наноқұрылымдарға жылдам ұшатын бөлшектердің әсерін модельдеуде тиімдірек болатын күшті байланыс схемасындағы ТТФТ әдісі (density functional based tight - binding, DFTB) жатады. ТТФТ әдісі, атап айтқанда, КНТ және графендегі бос орындардың релаксация және көші-қон механизмдерін зерттеу, көміртекті наноқұрылымдарда бос орындардың пайда болуының шекті энергиясын есептеу, сәулелендіру процесінде наноқұрылымдарға қолданылатын механикалық жүктеменің радиациялық төзімділігіне әсерін зерттеу үшін қолданылды. Тағы бір кең таралған жартылай эмпирикалық әдіс-бұл молекуланың әр электронын атом орбиталдарының сызықтық комбинациясы ретінде құруға болатын толқындық функциясымен (молекулалық орбиталь) сипаттауға негізделген молекулалық орбиталь әдісі. Әдетте есептеулерді оңтайландыру үшін орбитальдардың шектеулі саны ескеріледі (мысалы, бастапқы түрінде бұл әдіс тек электронды электрондарды есепке алуды білдіреді). Бұл әдіс кванттық химияда жиі қолданылады. Қатты дене теориясында жалған потенциал әдісі жиі қолданылады. Бұл әдіс аясында валенттілік электрондары атом сипаттамаларының қалыптасуына негізгі үлес қосады деп болжанады, сондықтан есептеулер тек осындай электрондардың толқындық функциялары үшін жасалады. Ішкі электрондар мен ядро өзгермейді және тұтастай алғанда тиімді зарядты құрайтын белгілі бір қаңқа болып табылады. Мұндай жуықтау іс жүзінде күшті электрон-иондық потенциалды әлсіз жалған потенциалмен алмастыруға әкеледі, ол валенттілік электрондарының энергия диапазонында дұрыс электронды спектр береді. Жартылай эмпирикалық әдістермен зерттелген объектілердің өлшемдері ішінара нанодиапазонға түседі, бұл 7.35 суреттен көрінеді. Одан әрі үлкен өлшемдерге қарай жылжу молекулалық динамика әдістерін қолдану арқылы қамтамасыз етіледі, бұл модельденген заттардың мөлшерін нанодиапазонның жоғарғы шекарасына, ал олардағы бөлшектердің санын 106 –107-ге дейін жеткізуге мүмкіндік береді. Бұл әдістер тобының негізі жабық көлемдегі бөлшектердің қозғалыс теңдеулерін, яғни кванттық емес, классикалық механика – Ньютон теңдеулерін сандық шешу болып табылады. Мұндай есептеулерді орындау кезінде бөлшектер арасында әрекет ететін күштерді анықтайтын және есептеу нәтижелеріне айтарлықтай әсер ететін өзара әрекеттесу потенциалын таңдау маңызды. Наноқұрылымдарды математикалық модельдеудің қиындығы олардың кванттық механикалық әдістермен модельдеу үшін тым үлкен (яғни тым көп атомдары бар) және статистикалық жуықтауды қолдану үшін тым аз болуымен байланысты. Осы себептерге байланысты нанодиапазон мен макродиапазон арасындағы аралық позицияны алатын мезодиапазонда модельдеу одан да қиын. Мезоскалалық модельдеу әдістерінің бірі торлы модельдерді қолдануға негізделген, онда зерттелетін жүйенің бөлшектері дұрыс кеңістіктік тордың түйіндерінде орналасады және тек көрші бөлшектермен өзара әрекеттеседі. Сондай-ақ, ортадағы бөлшектердің қозғалысы үшін жалпыланған Лангевин теңдеуін шешуге негізделген әдістер, өріс теориясының әдістері және басқалар қолданылады. Кванттық механикалық есептеулерде де, мезоскалдық модельдеуде де есептеу көлемін азайту үшін Монте-Карло әдісінің әртүрлі түрлері қолданылады, олардың көмегімен теңдеулер жүйелері сандық түрде шешіледі және көп өлшемді интегралдар есептеледі. Көп масштабты модельдеуді жүзеге асыру кезінде негізгі проблема- белгілі бір өлшем деңгейінде модельдеу кезінде алынған деректерді жоғары өлшем деңгейіндегі модельге беру, онда олар есептеу кезінде бастапқы деректер ретінде қолданылады (оның ішінде басқа тартылған мәліметтермен бірге). Қосымша қиындықтар материалдардың макроскопиялық қасиеттерінің төменгі деңгейдегі материалдар құрылымының сипаттамаларына және осы деңгейлерде жүретін процестердің сипатына тәуелділігі көбінесе сызықты емес немесе анықтау қиын болатындығына байланысты туындайды. Модельдеу аймағының жалпы кеңістік-уақыт шкаласы, оны бөлу диапазоны, әр түрлі деңгейлерде қолданылатын есептеу әдістері, сондай-ақ әр деңгейдегі есептеулердің егжей-тегжейлері мен дәлдігіне қойылатын талаптар модельдеудің соңғы есептері мен алынуы керек зерттелетін объектінің параметрлер жиынтығы негізінде таңдалады. ҒКФ наноқұрылымдар мен наноматериалдарға әсерін теориялық талдау және компьютерлік модельдеу кезінде әртүрлі кеңістік - уақыт диапазонында есептеулер жүргізуге мүмкіндік беретін бағдарламалық құралдар болуы керек. Қазіргі уақытта әртүрлі есептеу әдістері жүзеге асырылатын көптеген мамандандырылған компьютерлік бағдарламалар құрылды. Кванттық механикалық тәсілдерді (Gaus - sian, VASP, Quantum ESPRESSO, Siesta, ABINIT, GAMESS, WIEN2k) және молекулалық динамика әдістерін (LAMMPS, DL_POLY, GROMAC, CHARMM) жүзеге асыратын бірқатар бағдарламалық өнімдер бар. Монте-Карло әдісіне негізделген бағдарламалық кешендер (GEANT, SRIM/TRIM) дәстүрлі көлемді материалдарға да, наноқұрылымды материалдарға да радиациялық әсерді модельдеу үшін кеңінен қолданылады. Алайда, масштабты модельдеуді жүзеге асыру үшін бір графикалық интерфейс аясында әртүрлі әдістерді қолдануға мүмкіндік беретін бағдарламалық кешендер үлкен қызығушылық тудырады. Мұндай кешеннің мысалы ретінде кванттық химия, молекулалық динамика, мезодинамика және Монте-Карло әдістеріне негізделген әртүрлі есептеу модульдерін біріктіретін Accelrys Materials Studio коммерциялық бағдарламалық өнімін көрсетуге болады. Ауқымды модельдеу кезінде есептеу көлемін едәуір азайтатын алгоритмдер мен әдістер қолданылса да, суперкомпьютерлер класына жататын өте қуатты компьютерлер осы сыныптың мәселелерін шешу үшін қажет. ММУ-де бар Blue Gene/P суперкомпьютерлері және өнімділігі 28 және 60 Тфлопс болатын және 2009 жылы пайдалануға берілген "Чебышев" ММУ скифтері 420 тфлопс дейінгі өнімділігі бар "Ломоносов" суперкомпьютері көп масштабты модельдеуді қолдана отырып, ғарыштық радиациялық материалтанудың күрделі есептеу мәселелерін сәтті шешуге мүмкіндік береді. Ғарыштық сәулеленудің наноқұрылымдар мен нанокомпозиттерге әсерін зерттеу нәтижелерінің мысалдары Жоғарыда айтылғандай, ғарыш техникасының жаңа үлгілерін жасау кезінде наноматериалдарды кеңінен қолдану наноқұрылымдардың және оларды қолдану арқылы жасалған материалдардың ғарыш ортасының әртүрлі компоненттерінің әсеріне төзімділігін жан-жақты зерттеумен қатар жүруі керек. Атап айтқанда, наноқұрылымдар мен наноматериалдардың радиациялық әсерлерге төзімділігін зерттеу өте маңызды, өйткені қолда бар мәліметтерге сәйкес олар осы көрсеткіш бойынша дәстүрлі көлемді материалдар мен құрылымдардан едәуір асып түседі. Мысалы, КНТ иондаушы сәулеленудің әсерінен құрылымдық ақаулардың пайда болуына және жиналуына жоғары төзімділік көрсететіні белгілі. Бұл көбінесе олардың ақауларды «сауықтыру» қабілетімен анықталады. Математикалық модельдеудің нәтижелері алтыбұрышты жасушаларда пайда болатын вакансиялар минималды энергиямен тұрақты күйге өтіп, өзгере алатынын көрсетті. Сонымен қатар, учаскелерден ығыстырылған көміртек атомдарының бір бөлігі КНТ бетіне түсіп, оның бойымен қоныс аударуы мүмкін, бұл олардың қозғалатын атомдармен жойылуы кезінде бос орындардың жойылуына әкеледі. КНТ-дегі радиациялық ақаулар санының төмендеуіне нанотүтікшенің дамыған беткі қабаты есебінен алтыбұрышты жасушалардың түйіндерінен шығарылған көміртек атомдарының едәуір бөлігі басқа атомдармен байланыссыз КНТ-ден шығуы да ықпал етеді. Ионды сәулеленудің әсерінен (бұл жағдайда электронды сәуле) КНТ-де болатын процестердің жалпы схемасы суретте көрсетілген. 7.36. Осындай ерекшеліктер басқа көміртекті наноқұрылымдарға тән - фуллерендер мен графендер. Сур. 5.36. Электрондық сәуленің КНТ - ға әсер етуінен басталған процестердің схемасы: 1-көміртек атомын жою нәтижесінде КНТ қабырғасында бос орын қалыптастыру; 2-КНТ ішкі бетінде адсорбцияланған атомның бос орын түзуі; 3- адсорбцияланған атомдардың көші-қоны; 4-бос орындардың көші-қоны; 5-алмасу процесі арқылы КНТ беттері арасында адсорбцияланған атомдардың орын ауыстыруы Наноматериалдардағы заряд тасымалдаушылары мен құрылымдық ақаулардың қозғалу процестеріне кванттық және классикалық өлшемді әсерлер әсер етеді. Классикалық идеялар аясында көлемді және наноқұрылымды материалдардағы радиациялық ақаулардың көші-қон процестерінің айырмашылықтары сипатталған (сурет. 7.37). Көлемді материалдарда (сурет. 7.37 а) тор тораптарынан ығыстырылған атомдар материалдың бетіне еркін шығып, онда бедерлі түзілімдер жасай алады. Сонымен қатар, отырықшы бос жұмыс орындары біріктіріліп, бос орындар пайда болады, олардың болуы материалдың механикалық қасиеттерін нашарлатады. Наноматериалдарда (сурет. 7.37 б) наноөлшемді дәндердің көп мөлшерінен тұратын, ығыстырылған атомдар астық көлемінен олардың шекараларына шығып, оларға бекітіледі. Шекараларды басып алғаннан кейін атомдар түйірлерге терең еніп, бар бос орындармен аннигиляциялай алады. Осылайша, наноқұрылымды материалдарда, олар үшін бөлім беттерінің ауыр санының болуымен сипатталады, бұл беттерге ығысқан атомдардың ағып кетуінің тиімді механизмі әрекет етеді, бұл астық көлемінде радиациялық ақаулардың жиналуына жол бермейді. Сонымен қатар, жылжытылған атомдардың шекаралары бойымен үлгінің бетіне шығу мүмкіндігі сақталады. Сур. 5.37. Көлемді (А) және наноқұрылымды (Б) материалдардағы радиациялық ақаулардың көші-қон процестерінің схемасы: 1-ығысқан атомдар; 2-бос орындар; 3-бос орындарды біріктіру; 4-астық шекаралары Сонымен қатар, көміртекті наноқұрылымдарға және нанокристалды материалдарға иондаушы сәулеленудің әсері кезінде олардың құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты Френкель жұптарының пайда болуы мүмкін, оларда бос орын және ығысқан атом бір-бірінен едәуір қашықтыққа алыстатылған. Бұл жұптардың жойылуын қиындатады және сайып келгенде радиациялық ақаулардың жиналуына ықпал етеді. ММУ ҒЗИЯФ-да 500 эВ дейінгі энергиясы бар H, O және С атомдарының әсерінен КНТ және графенде бос орындар түзілуін модельдеу үшін ТТФТ әдісі қолданылды. 7.38- Сур. Ұшпа h атомымен КНТ қабырғаларынан с атомдарын соғу процесін модельдеу нәтижелері көрсетілген (көрсеткілермен бейнелеген атомдар жылдамдығының бағыттары). Бұл жағдайда ұшатын атом КНТ (1) алдыңғы қабырғасында бос орынды құрды, көміртек атомын (3) қағып, содан кейін КНТ - дан ұшып кетті. Екінші бос орын (2) ығыстырылған көміртек атомымен (3) құрылды, оған соқтығысу нәтижесінде берілген энергия тек КНТ шегінен шығу үшін ғана емес, сонымен қатар тағы бір көміртек атомын (4) қағу үшін де жеткілікті болды. Сур. 5.38. H атомымен өзара әрекеттесу нәтижесінде КНТ-да бос жұмыс орындарын құру Математикалық модельдеу нәтижелеріне сүйене отырып, КНТ-ның жоғары радиациялық тұрақтылығын түсіндіру үшін физикалық модель ұсынылады, ол көлемді қатты денелермен салыстырғанда аз тығыз және КНТ-дағы атомдардың анизотропты орамасы және одан шығарылған көміртек атомдарының түтік бетінің адсорбциясы туралы идеяларға негізделген. КНТ бетінде болып жатқан көші-қон процестері радиациялық ақаулардың "емделуіне" алып келеді. Сонымен қатар, беттік адсорбцияланған атомдар байламға жиналған бір қабатты КНТ-лардың арасында қосымша байланыс жасай алады (сурет. 7.39 А) және көп қабатты КНТ құрамына кіретін түтіктер арасында(сурет. 7.39 б). КНТ және нанокомпозиттерге ~10 2-106 кэВ диапазонындағы энергиясы бар электрондар мен иондардың әсерін сипаттайтын осы уақытқа дейін жинақталған эксперименттік деректер жалпы математикалық модельдеу нәтижелеріне сәйкес келеді. Сонымен, 1,25 МэВ-қа дейінгі энергиясы бар электрондармен және 3 кэВ-қа дейінгі иондармен (He, Ne, Ar, Kr, Xe) сәулелену кезінде ~10 16 см-2 флюенсінде математикалық модельдеу нәтижелеріне сәйкес ақаулардың пайда болуы туралы мәліметтер алынды. Өріс транзисторының құрамында пайдаланылатын КНТ жүйесінің радиациялық тұрақтылығын флюенс кезінде 10 ст 35 МэВ энергиясы бар протондардың әсеріне 4·10 10-4·1012 см-2 -ші кезең осындай әсер ету кезінде транзистордың бастапқы сипаттамалары өте аз өзгеретінін көрсетті. Flash- жад құрамында пайдаланылатын нанотранзисторлардың жоғары радиациялық тұрақтылығының жеткіліктілігі туралы қорытынды 240 МэВ энергиясы бар Br иондарымен наноқұрылымды сәулелендіру бойынша эксперимент негізінде де жасалды. Сур. 5.39. Адсорбцияланған атомдары бар сәулеленген КНТ молекулалық моделі Құрамында нанобөлшектер мен нанотүтікшелер бар полимерлік және композициялық материалдардың радиациялық төзімділігі олардың екі диапазонда жатқан энергиясы бар протондармен сәулеленуі кезінде зерттелді: 30 - 200 кэВ және 1 - 800 МэВ флюенс кезінде 10 16 см-2. Екі жағдайда да наноқұрылымдарды енгізу бастапқы материалдардың радиациялық тұрақтылығын едәуір арттыратыны көрсетілген. Наноқұрылымдардың көлемді материалдармен салыстырғанда жоғары радиациялық тұрақтылығының тағы бір дәлелі фотоэлектрондық аспаптарды жасау үшін перспективалы материал ретінде қарастырылатын галлий нитридінің (GaN) үлгілерінің 85 МэВ энергиясымен Kr иондарымен сәулелендіру кезінде алынды. 10 13 см-2 флюенс кезінде сәулелену нәтижесінде кезең GaN монокристалды үлгісі үшін фото – люминесценция қарқындылығы 10 есе, ал наноқұрылымды үлгі үшін-тек 3 есе төмендегені көрсетілді. Сипатталған эксперименттерде қолданылатын электрондар мен иондардың энергиясы ЖРБ және ҒКС бөлшектерінің энергиясына сәйкес келеді. Флюенстердің келтірілген мәндері ҒА-ның әртүрлі жер маңындағы орбиталарда жеткілікті ұзақ ұшуына тән. Сондықтан, талқыланған мәліметтер негізінде зерттелген наноқұрылымдар мен оларды қолдану арқылы жасалған материалдарды ҒА конструкциясының бөлігі ретінде пайдалану мүмкіндігі туралы қорытынды жасауға болады. КНТ негізіндегі нанокомпозиттер КНТ – ның бірегей ерекшеліктері- жоғары механикалық беріктігі, электр өткізгіштігі және жылу өткізгіштігі арқасында ерекше назар аударады. Оның макроскопиялық қасиеттеріне айтарлықтай әсер ететін КНТ негізіндегі полимерлі нанокомпозиттің маңызды сипаттамаларының бірі – ондағы КНТ-нанотүтіктердің полимердің бүкіл көлеміне біркелкі таралу дәрежесі. Полимердегі КНТ ерігіштігі ең алдымен полимер тізбектері мен КНТ арасындағы өзара әрекеттесу күштерімен және нанотүтікшенің өздері арасындағы ван-дер-Вааль тарту күштерімен анықталады. Осы күштердің қатынасына байланысты КНТ полимер матрицасында біркелкі таралуы немесе турникеттерге жиналуы мүмкін. Матрицадағы КНТ - ның ерігіштігін арттыратын КНТ пен полимерлі материал арасындағы өзара әрекеттесуді күшейтуге КНТ функционалдауы, яғни әртүрлі молекулалық топтардың химиялық немесе физикалық өзара әрекеттесу күштері есебінен олардың бетіне қосылу арқылы қол жеткізуге болады. Иондаушы сәулелену әсерінен КНТ қабырғаларында пайда болған дислокациялар КНТ бетіне молекулалық топтардың қосылу орталықтары бола алады, яғни КНТ функционалдауы дәрежесін жоғарылатады. Функционалдау полимер матрицасындағы КНТ ерігіштігіне әсері суретте көрсетілген. 7.40, онда мезоскалалық әдістер тобына жататын бөлшектердің диссипативті динамикасы (dissipative particle dynamics, DPD) әдісімен ММУ ҒЗИЯФ - та орындалған матрицадағы КНТ диспергирлеу процесін математикалық модельдеу нәтижелері келтірілген. Сур. 5.40. Функционалданған КНТ (А) полимерлік матрицасында біркелкі бөлу және функционалдауға ұшырамаған КНТ-тан байлам матрицасында қалыптастыру (б) Кейбір процестердегі наноқұрылымдардың конфигурациясы сипаттамаларының рөлін ғана зерттеу қажет болған жағдайда, математикалық модельдеу кезінде үлкейтілген геометриялық модельдерді қолдануға болады, онда наноөлшемді элементтер ауыстырылады, мысалы, құрылымның конфигурациясын сақтай отырып, микрон өлшемінің элементтері. Бұл әдіс модельдеу кезінде микродиапазон үшін жақсы дамыған есептеу әдістерін қолдануға мүмкіндік береді. Сур. 5.41. Нанокомпозиттер үлгілерінің есептік геометриялық модельдері: а- фуллерендермен; б, в- КНТ-мен ММУ ҒЗИЯФ - да сипатталған тәсіл Монте-Карло әдісіне негізделген giant бағдарламалық кешенінің көмегімен жүзеге асырылды. Сур. 7.41 матрицаға фуллерендер (а) енгізілген және әртүрлі үлгіде бағытталған КНТ (б, в) композициялық материалдар үлгілерінің есептеулерде пайдаланылған геометриялық модельдері көрсетілген. Ғарыштық сәулеленуге тән энергетикалық және кеңістіктік таралуы бар электрондар мен протондар ағындарының ұсынылған құрылымдарына әсер етуді модельдеу жүргізілді. - Сур. 7.42 мысал ретінде үлгілердің бірінде затқа берілген энергияның алынған кеңістіктік таралуы көрсетілген. Сур. 5.42. Берілген энергияны үлгіде бөлу Математикалық модельдеуді қолдану атом оттегінің наноқұрылымдар мен нанокомпозиттерге әсерін зерттеуде де өте тиімді. Оттегі атомдарының ағынымен КНТ-ның зақымдануының мүмкін механизмі КНТ-ны "ажырату" деп аталады (ағылшын тіліндегі unzipping әдебиетінде). Жоғарыда сипатталған ТФТ және ТТФТ әдістерін қолдана отырып, ММУ ғылыми- зерттеу институтында жасалған бұл құбылысты математикалық модельдеудің нәтижесі суретте келтірілген. 5.43. Бұл құбылыс КНТ-ға айтарлықтай құрылымдық зақым келтіруі мүмкін екенін көруге болады. Сур. 5.43. UNT босату құбылысы GEANT бағдарламалық кешені атомдық оттегі ағынының полимерлі композитке әсерін модельдеу үшін қолданылды. Полиимидті матрицаға органикалық топтармен қоршалған кремний диоксидінің "өзегі" болып табылатын өте тармақталған полиорганосилоксанның наноөлшемді бөлшектерін енгізу арқылы алынған композиттің үлгісі зерттелді. Сур. 5.44. Атомдық оттегі (а) және осы процесті математикалық модельдеу (б) әсерінен полимерлі композит эрозиясын эксперименттік зерттеу нәтижелері 5.44 а - сур. жоғарыда сипатталған ММУ ҒЗИЯФ модинамикалық үдеткіші - магнитоплазда атомды оттегі ағынымен сәулелендіргеннен кейін сканерлеуші электронды микроскоптың көмегімен алынған үлгі бетінің бейнесі ұсынылған. Бұл үлгіде толтырғыштың бастапқы наноөлшемді бөлшектері Жоғарыда қарастырылған КНТ жинағына ұқсас үлкен микроөлшемді құрылымдарға біріктірілді. Алайда, атомдық оттегінің әсеріне төзімді бұл микроөлшемді бөлшектер олардың астындағы полимерлі байланыстарды оттегі атомдарының жойылуынан қорғайтыны анық. 5.44 сур. GEANT кешенінің көмегімен осы әсерді модельдеу нәтижелерін көрсетеді. Ғарышта наноматериалдар мен нанотехнологияларды қолдану болашағы Ғарыш техникасына арналған нанотехнологияларды әзірлеу бағдарламалары 2000 жылдардың басында ірі ғарыш державалары нанотехнологияларды дамытудың және ғарыш техникасы үшін наноматериалдарды жасаудың перспективалық бағдарламаларын әзірледі. АҚШ-та Аэронавтика және ғарыш кеңістігін зерттеу жөніндегі ұлттық басқарманың (NASA) қолдауымен жасалған осындай бағдарламалардың бірінің құрылымы жасалған Осы бағдарламаның жабдықтарының наноматериалдары, борттық электроника элементтері, түрлі мақсаттағы сенсорлар және нанокомпоненттері болып табылады. Суреттің жоғарғы жағында жаңа материалдар мен элементтерді қолдану арқылы ашылатын мүмкіндіктер көрсетілген, ал 2011 жылы аяқталуы жоспарланған бастапқы кезеңдерде жетістіктер негізінен көп функциялы материалдарды, ал кейінірек ақылды материалдар мен биожүйелерді қолданумен байланысты. Нанотехнологияның қарқынды дамуын және оларды ғарыштық зерттеулерде қолдану мүмкіндіктері туралы идеялардың өзгеруін ескере отырып. Бұл ретте оларды шешу үшін нанотехнологияларды пайдалану қажет болатын аса маңызды перспективалық міндеттер ретінде мыналар көрсетіледі: диаметрі 25-50 м-ден астам антенналарды, күн батареяларын және т. б. дайындауға арналған конструкцияның меншікті (массаға қатысты) мөлшерін ұлғайту.; ҒА ұшырудың жаңа жүйелері, тұрғын ғарыш құрылыстары және т. б. үшін материалдардың меншікті беріктігін 10-100 есе арттыру.; кванттық сенсорларды, биохимиялық "чиптегі зертханаларды", шағын ҒА құру үшін масса мен тұтынылатын энергияны азайту кезінде құрылғылардың функционалдығын кеңейту; экипаждарға дербес медициналық қызмет көрсетуді ұйымдастыру және кешенді дамып келе жатқан ғарыш жүйелерін құру үшін ҒА жүйелерінің үлестік ақпараттық қамтамасыз етілу деңгейін және "интеллект" деңгейін арттыру. 5 жылға созылатын бастапқы кезеңде наноматериалдардың бірнеше кластары пайда болады және тіпті практикалық қолданыла бастайды деп күтілуде. Біріншіден, біз нанобөлшектер мен нанотүтікшелерге негізделген жаңа құрылымдық материалдар туралы айтып отырмыз, олар ҒА салмағын оның беріктігіне нұқсан келтірместен күрт төмендетеді. Тағы бір сәтті дамып келе жатқан бағыт-бұл наноэлектроника және басқа наноқұрылымдар. Алдағы уақытта ғарыштық радиация әсеріне төзімді молекулярлық компьютерлер мен биокомпьютерлерді құру, жер бетінен геостационарлық орбитаға дейін созылған аса берік кабель негізінде "ғарыштық лифт" құрылысының белгілі жобасын іске асыру, эффектіні пайдаланатын биосенсорларды әзірлеу жоспарлануда "молекулалық тану", жердің және басқа планеталардың айналасындағы қоршаған ортаның жағдайын диагностикалау үшін сенсорлық желілерді құру, сонымен қатар қоршаған ортаны жақсартуға бағытталған ауқымды жұмыстарды орындауға қабілетті наноробот жүйелері. Еуропалық зерттеушілер сонымен қатар ғарыштық нанотехнологияны дамытудың мүмкін бағыттарын талдауға көп көңіл бөледі. Жалпы, ғарыштық нанотехнологияның дамуының ұсынылған көрінісі АҚШ-тың қарастырылған бағдарламасына ұқсас, бірақ оның құрылымы сәл өзгеше. Еуропалық зерттеушілер аэроғарыш саласы үшін нанотехнология саласындағы жұмыстардың маңызды бағыттары ретінде мыналарды бөліп көрсетеді: зияткерлік материалдарды қоса алғанда, көп мақсатты құрылымдық және функционалдық материалдар; наноэлектроника элементтері; ҒА энергиямен қамтамасыз ету жүйелеріне арналған материалдар мен бұйымдар (энергия сақтағыштар, отын элементтері, Күн батареялары және т. б.);); ҒА жабдықтары және наносенсорларды, электромеханикалық наножүйелері және т. б. қолданатын ғылыми аппаратура.; тіршілік әрекетін қамтамасыз ету жүйелері; нанотехнологиялар арқылы жүзеге асырылатын перспективті ғарыштық жобалар; Нанотехнология, әрине, ғарыштық жобаларды жүзеге асырудағы маңызды сәттердің бірі ретінде қарастырылады: Айды, Марсты, Венераны игеру және ғылыми зерттеулер мен Күн мен ғарыштық ортаның жағдайын бақылау үшін ірі спутниктік жүйелер құру. Нанотехнологиялар мен наноматериалдарды қолдану есебінен ҒА негізгі жүйелерін үздіксіз жетілдіру көзделеді. Бұл алдағы жылдары Жерге жақын ғарыштық ортаны және Күнді бақылау үшін кіші спутниктер шоқжұлдыздарын пайдалануға, кейінірек алыс ғарышты зерттеу және үлкен диафрагмасы бар ғарыштық телескоптар салу үшін осындай шоқжұлдыздарды іске қосуға мүмкіндік береді. Нанотехнологиялар мен наноматериалдарды қолдана отырып жасалған роботтар Марсты, сондай - ақ Венера мен Күн жүйесінің алып планеталарын зерттеуде маңызды рөл атқарады, олардың айналасында және бетінде ҒА төтенше жағдайларда жұмыс істеуі керек. Әрине, Айға өмір сүру базаларын салу және Марсқа ұшу сияқты ірі ғарыштық жобаларды жүзеге асыру нанотехнологиясыз және наноматериалдарсыз мүмкін емес, бірегей қасиеттері бар құрылымдық және функционалды материалдарды қолданудан бастап, ғарышкерлердің денсаулығы мен өмірлік белсенділігін диагностикалауды қамтамасыз ететін әртүрлі құрылғылар мен жүйелерді қолдануға дейін. Ресейлік мамандардың қол жеткізілген деңгейдегі бағалары және ғарыш саласы үшін нанотехнологияны дамыту перспективалары жоғарыда қарастырылған бағдарламалар сияқты, наноқұрылымдар негізінде түбегейлі жаңа құрылымдық және функционалды материалдарды, қорғаныс жабындарын, ҒА электрондық жүйелерінің элементтерін, электр энергиясының көздерін, сенсорларды, жоғары өнімді борттық компьютерлер мен оларға негізделген зияткерлік жүйелерді құру мәселелерін қамтиды. Болашақ ғарыш жобаларында наноматериалдарды қолдану Жоғарыда сипатталған барлық наноматериалдар мен олардың негізіндегі құрылғылар перспективалық ҒА-ны әзірлеу және ХХІ ғасырдың ғарыштық жобаларын іске асыру кезінде қандай да бір дәрежеде қолданылады. Әр түрлі елдердің мамандарының назарын, атап айтқанда, 2011 жылы 30 жыл жұмыс істегеннен кейін ұшулары аяқталған Space Shuttle американдық кемелерін ауыстыру үшін қайта пайдалануға болатын ғарыш кемелерінің жаңа буынын құру міндеті қызықтырады. Сур. 5.45. Қайта пайдалануға болатын жаңа ғарыш кемесінің орналасуы 5.47- сур..нанотехнологиялар мен наноматериалдарды қолдану есебінен сипаттамалары едәуір жақсартылуы мүмкін конструкция элементтері мен жүйелерін көрсете отырып, қайта пайдалануға болатын жаңа ғарыш кемелерінің бірінің макеті бейнеленген. Кеме шетелде Aerospike деп аталатын сыртқы кеңейтімі бар оттегі - сутегі сұйық зымыран қозғалтқыштарымен (1) жабдықталған. Олардың айрықша ерекшелігі - сыртқы беті қоршаған ортамен өзара әрекеттесетін дыбыстан жоғары газ ағынымен жетілдірілген орталық дененің (істіктің) саптамасында болуы. Мұндай қозғалтқыштар Жер атмосферасындағы биіктіктердің кең диапазонында жұмыс істеуге жарамды, бұл оларды ғарыш кемесінде пайдалану кезінде өте маңызды, сонымен қатар олар кішкентай. Номатериалдар қозғалтқыштарды құрастыру элементтерін (1), сондай - ақ отын қоймаларын (2) жасау үшін қолданылуы мүмкін. Интеллектуалды және өздігінен емделетін нанокомпозиттерді қолданумен жасалған кеме корпусының сыртқы қабығы корпус жағдайының үздіксіз автоматты диагональдылығын және метероидтер мен ғарыш қоқысы бөлшектерінің соққыларынан, сондай - ақ ғарыш радиациясының әсерінен қорғаудың жоғары деңгейін қамтамасыз етеді. Нанокомпозиттер кеменің жаңа бөлігіне орнатылатын жылу қорғау элементтерін жасау кезінде де пайдаланылатын болады (4). Кеме корпусының ішінде орналасқан борттық компьютерлерде және кеменің электрондық жүйелерінде (3) наноэлектроника элементтерін кеңінен пайдалану болжанады. Кемені энергиямен жабдықтау жаңа тиімділігі жоғары литий батареялары мен отын элементтері (5) көмегімен қамтамасыз етіледі, оларды құрастыру кезінде көміртекті наноматериалдар маңызды рөл атқара алады. Нанотехнологиялар дамыған сайын қажетті қасиеттері бар жетілдірілген материалдар жасалады, бұл қазірдің өзінде нанокомпозиттерден жасалған бір экранды, үш есе қорғауды – жылу, радиациялық және соққыға қарсы қамтамасыз ету тұжырымдамасын қарастыруға мүмкіндік береді. Шетелдік әдебиеттерде TRIPS (Thermal, Radia - tion, Impact Protective Shield) атауын алған бұл тұжырымдама қайта пайдалануға болатын ғарыш аппараттарының құрылуына байланысты ғана емес, сонымен қатар Айды игеруге және Күн жүйесінің планеталарына ұшуға арналған құрылғыларға қатысты талқыланады. 1970 жылдардың ортасында геостационарлық орбитада жер үсті және ғарыш объектілерін лазерлік немесе микротолқынды сәулелену сәулелерінің көмегімен беру арқылы энергиямен қамтамасыз ету үшін күн электр станцияларын құрудың алғашқы жобалары ұсынылды. Мұндай электр станцияларының қуаты 5-10 ГВт жетуі мүмкін деп болжалды. Салыстыру үшін біз Красноярск су электр станциясының максималды қуаты, әлемде ең үлкендерінің бірі, 6 ГВт екенін көрсетеміз. Мұндай қуатты ғарыштық электр станцияларында ауданы 50-100 км 2 күн батареялары болуы керек еді, ал бүкіл құрылымның көлденең өлшемдері 20- 30 км, ал массасы 100 мың тонна деп бағаланды. Бұл үлкен құрылымдарды құрастыру жердің төменгі орбитасында жүзеге асырылады, содан кейін оларды сұйық зымыран қозғалтқыштарымен немесе плазмалық ағындарды шығару арқылы тартылуды тудыратын электрлік қозғалтқыштармен жабдықталған орбитааралық тартқыштардың көмегімен геостационарлық орбитаға жеткізіледі деп жоспарланған. Мұндай жасанды ғарыш объектілерін салу және кейіннен пайдалану елеулі техникалық, экономикалық және экологиялық қиындықтармен байланысты. Соңғылары төмен монтаждық орбитаға УЖЖ - ны жеткізу кезінде және жинақталған станцияны геостационарлық орбитаға тасымалдау кезінде, сондай - ақ жоғары атмосфераға және жер ионосферасына қуатты лазер немесе микротолқынды сәулеленудің пайда болуына байланысты зымыран отынының жану өнімдерінің көп мөлшерде жер ортасына шығарылуына байланысты пайда болады. Бастапқы массасы жүздеген тоннамен өлшенетін "Протон", "Сатурн", Ariane - 5 қуатты зымыран-тасығыштары 20-25 тонна пайдалы жүкті төменгі орбитаға, ал қосымша сатыны (үдеткіш блок деп аталатын) пайдалана отырып, геостационарлыққа – бар болғаны 2,5 тонна шығаратынын еске түсіру жеткілікті. Бұл ретте жер атмосферасына 180-250 тонна зымыран отынының жану өнімдері (CO 2, H2, NH3) шығарылады. 1 кг жүкті орбитаға жеткізу құны шамамен 20 мың АҚШ долларын құрайды. Ғарыштық электр станцияларын салу кезінде нанотехнологиялар мен наноматериалдарды қолдану көптеген қиындықтарды жеңуге мүмкіндік береді. Жоғарыда сипатталған жаңа фотоэлектрлік түрлендіргіштер күн панельдерінің өлшемдері мен массалары едәуір аз болған кезде қажетті электр қуатын қамтамасыз етеді. Егер нанотехнологияны қолдана отырып, геостационарлық орбитаға орналастырылған жоғары тиімді икемді батареялар мен жұқа қабатты эмитенттерді құруға болатын болса, онда электр станциясын төмен орбитаға жинау кезеңдерінің еңбек сыйымдылығы мен ұзақтығын едәуір қысқартуға болады және оны кейіннен геостационарлық орбитаға тасымалдау және болашақта оларды толығымен тастау. Сур. 5.46. Ғарыш электр станциясының болжамды конструкциясы Ғарыштық күн энергиясын құру жолындағы алғашқы нақты қадамдар ретінде геостационарлық орбитада алғашқы жобалармен салыстырғанда қуаттылығы 1000 есе аз электр станцияларының құрылысы қарастырылуда. Күн ғарыш станциясының қазіргі заманғы конструкцияларының бірінің схемалық бейнесі суретте көрсетілген. Мұндай электр станцияларын жинау роботтардың көмегімен геостационарлық орбитада тікелей жүзеге асырылуы мүмкін. Бірақ қуаттылығы шамамен 10 МВт электр станцияларын салудың алғашқы кезеңдерінде геостационарлық орбитаға көптеген жүктерді жеткізу қажет болады. Жоғарыда геостационарлық ҒА үшін аппараттардың қоршаған ғарыштық плазмамен өзара әрекеттесуі есебінен туындайтын олардың электрленуі үлкен қауіп төндіретіні атап өтілді. Үлкен өлшемді жұқа пленкалы элементтері бар құрылымдар электрлендіруге байланысты разрядтардың нәтижесінде ғана емес, сонымен қатар объектінің конфигурациясын бұзатын электростатикалық күштердің пайда болуына байланысты зақымдалуы және істен шығуы мүмкін. Нанотехнологиялар мен наноматериалдарды қолдану ҒА габариттері мен массасын едәуір төмендетуге мүмкіндік берсе де, "Жер–Ғарыш" трассаларында жүк ағынын ұлғайту проблемасы өзекті болып қалуда. Сондықтан орбитаға жүктерді жеткізудің жаңа тәсілдері ізделуде. Ең көп талқыланған және нақты бірі-Жер бетінен геостационарлық орбитаға өтуі, жоғарыда аталған ғарыштық лифт құрылысының жобасы. Жобаның идеясы өте қарапайым: геостационарлық ҒА үнемі жер бетінің бір нүктесінен жоғары болғандықтан, ҒА мен осы нүкте арасында жүк капсуласы екі бағытта қозғалатын кабельді созуға болады (сурет. 7.50 а). Кабель қарама - қарсы бағытталған екі күштің әсерінен созылады: гравитациялық және баға- тепкіш, біріншісі жерден алыстаған сайын азаяды, ал екіншісі артады. Геостационарлық орбитаның биіктігінде бұл күштер өзара тепе-теңдікке ие, алайда кабельдің қажетті кернеуін қамтамасыз ету үшін центрифугалық күш басым болуы керек. Ол үшін оған бекітілген қосымша ғарыш объектісі бар, өзіндік тепе - теңдік рөлін атқаратын кабельдің соңы геостационарлық орбитадан сәл жоғары болуы керек. Қызметтік және ғылыми жабдықтармен жабдықталған жүк капсуласы (сурет. 7.50 б) күн ғарыш электр станциясынан энергия алатын электр қозғалтқыштарының немесе өзге де құрылғылардың көмегімен қозғалысқа келтірілетін болады. Мұндай ғарыштық құрылымдарды құру мүмкіндігін К. Е. Циолковский қарастырды. Ол мұнараны гравитациялық және центрифугалық күштердің әсерінен тұрақты күйде ұстады. Кабельді қолдана отырып ғарыштық лифттерді құру жобалары 1960-1970 жылдары пайда бола бастады. Алдымен танымал ғылыми басылымдар ретінде, содан кейін айтарлықтай техникалық негіздемемен. Барлық ұсынылған жобаларды жүзеге асырудағы басты қиындық-қажетті беріктігі бар кабельді өндіру. Есептеулерге сәйкес, болат кабель ұзындығы 50-70 км болатын ауырлық күшімен бұзылады. Композициялық материалдарды пайдалану кабельдің ұзындығын 150-300 км- ге дейін арттыруға мүмкіндік береді. Орталықтан тепкіш күштің тепе-теңдік әсерін ескере отырып, кабельдегі жүктеме 4-5 есе азаяды, бірақ бұл мәселені шешу үшін жеткіліксіз болып табылады. Сур. 5.47. Ғарыш лифтінің жұмыс істеу схемасы (А) және (б) жобаларының бірі: 1-жер; 2 - жүк капсуласы; 3-кабель; 4-ГСО; 5-қарсы салмақ; 6-ҒА Мұндағы ғалымдар мен дизайнерлердің үміттері тағы да КНТ-ны қолданумен байланысты, олардың беріктігі (~100 ГПа) ең жақсы легірленген болаттардың беріктігінен он есе көп, салмағы аз. Математикалық модельдеу нәтижелері ғарыштық лифт кабелінің материалы шамамен 20 ГПа және алюминийден үш есе жеңіл болуы керек екенін көрсетті. КНТ бұл талапты түбегейлі қанағаттандырады. Дегенмен, кабельді жасау үшін сіз максималды ұзындығы әлі 2-3 см-ден аспайтын, содан кейін жіптерге байланған иірілген жіптерді жасауды үйренуіңіз керек. Мұндай турникеттердің алғашқы үлгілері қазірдің өзінде алынды, бірақ олардың беріктігі КНТ-ның өз күшінен әлі алыс. Дегенмен, технологиялық прогресс талап етілетін беріктік сипаттамалары бар КНТ кабелін құруға әкеледі деп күтуге болады. Кабельдың ҒКФ пен жер маңындағы ортаның әсеріне төзімділігін қамтамасыз ету проблемасын, соның ішінде тропосферадағы найзағай құбылыстары мен желді, сондай-ақ кабельдың басқа Ғарыш объектілері мен ұшақтарға жасайтын кедергілерін және кабельдың авариялық үзілуіне байланысты ықтимал қауіптерді ерекше атап өту қажет. Лифт құрылысына жұмсалатын жиынтық шығындар 2020 жылға қарай оны пайдалануға беру мерзімі кезінде 10 млрд, АҚШ долларына бағаланады. Лифттің жүк көтергіштігі геостационарлық орбитаға жүк жеткізу құны қуатты зымыран тасығыштарды пайдаланумен салыстырғанда 100 еседен астам төмендеген кезде, бірнеше ондаған тоннаға жетеді деп болжайды. Адамдардың Айға ұзақ уақыт тұруы және Ай базасының ішінде де, одан тыс жерде де техниканың үздіксіз жұмыс істеуі үшін радиацияның, метеориттердің, олар шығаратын ай топырағының қайталама бөлшектері мен ай шаңының әсерінен қорғау мәселелерін шешу қажет. Наноматериалдар мен нанотехнологиялар, әрине, осы мәселелерді шешуде маңызды рөл атқарады, әсіресе ғарышкерлер айдың бетінде жұмыс істеген кезде қолданылатын қорғаныс костюмдері мен жабдықтарын жобалау кезінде. Бұл жағдайда ғарыштық факторлардың әсерінен жан-жақты қорғауды қамтамасыз ететін нанокомпозиттер негізінде жасалған әмбебап экрандарды қолдану туралы тағы да айтуға болады. Жоғарыда аталған TRIPS-қорғаныс құру тұжырымдамасын қолдану туралы да айтуымызға болады. Нанотехнология Айда қолдануға арналған ғылыми жабдықты жасау кезінде де қолданылады. Қызықты жобалардың бірі-Айға диаметрі 100 м-ге дейін сұйық айнасы бар телескоптың құрылысы, оның шағылысқан беті иондық сұйықтық деп аталатын қабатқа қолданылатын күміс нанобөлшектердің пленкасынан тұрады. Айналдыру кезінде сұйықтықтың параболалық пішінді алу қабілетіне негізделген телескоптар үшін сұйық айналар жасау идеясы жаңа емес және бірнеше рет жүзеге асырылды. Алайда, барлық дерлік жағдайларда, сынап ауыр, улы және, сонымен қатар, -38°С температурада қатып қалатын рефлекторлы сұйықтық ретінде қолданылды. Айна негізі ретінде ұсынылған органикалық иондық сұйықтық сынапқа қарағанда әлдеқайда жеңіл, төмен температурада қатып қалады (-98°С), қарама-қарсы зарядталған бөлшектердің күшті өзара тартылуына байланысты вакуумда аз буланып кетеді және инфрақызыл аймақта жоғары шағылысу коэффициенті бар күміс пленканы жақсы ұстайды. Айдағы гравитацияның төмендігі айна бетінің өте жақсы пішінін алуға көмектеседі, оның фокустық ұзындығын сұйықтықтың айналу жылдамдығын өзгерту арқылы немесе сұйықтық бар ыдысқа салынған электромагниттік магнит өрісін қолдану арқылы өзгертуге болады. Айға орнатылған мұндай телескоп ҒА орнатылатын ең жақсы оптикалық телескоптармен салыстырғанда 100 есе әлсіз нысандарды 1000 есе байқауға мүмкіндік береді. Планетааралық ұшулар үшін басқарылатын Марс кемесі мен автоматты ұшақтарды жасау кезінде экипаж мен жабдықты ҒКФ әсерінен сенімді кешенді қорғауды қамтамасыз ету мәселесі маңызды мәселелердің бірі болып қала береді. Бұл жағдайда наноматериалдардың көмегімен жүзеге асырылатын қорғаныс тұжырымдамасы өте жемісті болуы мүмкін. Есептеу нәтижелері көрсеткендей, Марс ғарыш кемесінің радиациялық қорғанысын ГҒС және ҒКС зарядталған бөлшектерін жұтатын экрандармен үйлестіре отырып, өте өткізгіш электромагнит көмегімен қамтамасыз етуге болады. Мұндай дизайндағы наноматериалдарды пайдалану, оның өлшемдері мен массасын едәуір азайтады. Әрине, Марс кемесінің экипажының өмірін қамтамасыз ету үшін 2 жыл ішінде, 3 жыл ұшу кезінде нано-технологиялар көмегімен жасалған жаңа құралдардың барлық арсеналы қолданылады: жоғарыда қарастырылған жоғары сезімтал газ лизаторлары, чиптегі зертханалар, медициналық мақсаттағы бұйымдарды мақсатты жеткізу құралдары және т. б. Марсқа басқарылатын ұшуды дайындау кезінде Марс топырағының үлгілерін зерттеу үшін әртүрлі наносенсорлар негізінде жаңа әдістер мен құрылғылар жасалады. Сур. 5.48. Нанороботтар жүйесі Планеталарды зерделеу кезіндегі маңызды бағыт планеталардың бетіндегі және планетаға жақын кеңістіктегі жағдайлар туралы деректерді алу үшін оларды басқарылатын кемеге немесе жерге беру үшін әртүрлі күрделілік дәрежесіндегі шағын ҒА мен роботтарды қолдану болып табылады. Мұндай құрылғылар астронавтикада бұрыннан бері қолданылып келеді. Алайда, кейінгі ұрпақтардың нанороботтары едәуір кең функционалды мүмкіндіктерге ие болады. Олардың біріктіруге өткізгіштер жүйесін (сур. 7.50) ғарыштық миссияларды ақпараттық қолдауды, ҒА ұшуын басқаруды, қону орнын дайындауды, ҒА тексеру мен жөндеуді, тіпті оларды қоршаған химиялық элементтерден роботтар жүргізе алатын материалдармен және өнімдермен қамтамасыз етуді және көптеген басқа функцияларды орындауды қамтамасыз етеді. Мұндай жобалардың фантастикалық көрінуіне қарамастан, олар келесі 20 және 30 жылда жүзеге асырылуы мүмкін. жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|