Реферат наночастицы в космическом пространстве

Обновлено: 07.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Нанотехнологии в космосе

1. Применение нанотехнологий в космосе Применение нанотехнологий в космической технике является одним из наиболее важных и перспективных направлений.

Масштабное применение нанотехнологий в космической технике позволит радикально улучшить массогабаритные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на тех или иных орбитах, решить проблемы энергообеспечения этих аппаратов. Сейчас ведётся разработка наноматериалов, обладающих одновременно высокими твердостью, прочностью и пластичностью, а также создание теплозащитных и износостойких покрытий с помощью плазменно-кластерной технологии. 2. Теплозащитные и износостойкие покрытия Одним из перспективных методов получения покрытий является плазменно-кластерный метод. Он позволяет формировать толстые многослойные теплозащитные, а также износостойкие покрытия. К примеру, нанесение многослойных наноструктурированных теплозащитных покрытий, в которых в качестве основных теплозащитных слоев используются слои из оксида циркония, позволят увеличить импульс тяги ракетного двигателя из-за отказа от пристеночной завесы охлаждения в камере сгорания. Это приведет к увеличению массы полезного груза, выводимого на орбиту, примерно на 100-200 кг, что даст экономический эффект 15-30 млн. руб. за 1 запуск.

Плазменно-кластерная технология основана на подаче напыляемого порошкового материала в канал плазмотрона, в котором происходят различные теплофизические превращения (плавление, диспергирование, испарение, конденсация напыляемого материала в плазмотроне и в струе), разгон двухфазного потока в сопле и в струе, расширяющейся в среду с пониженным давлением. Частицы с размером 10 мкм и меньше разгоняются до скоростей более 1 км/с.

Исходный порошок диспергируют либо в плазматроне, либо полностью испаряют его в канале с последующей конденсацией в сопле и в струе. Размеры получающихся при этом частиц (кластеров) будут изменяться в диапазоне 10 - 1000 Å. Структура полученных покрытий состоит из слоев пластифицированных дискообразных частиц, покрытых частицами нанометрового размера, которые образуются в результате кластеризации паровой фазы в потоке. Эти частицы способствуют более прочному сцеплению как отдельных частиц, так и их слоев, образовавшихся в результате разных проходов.

Во многих случаях полученные покрытия обладают коэффициентом температурного расширения (КТР), как правило, в 2-3 раза отличающимся от КТР подложки, что приводит при наличии многократных термоциклических нагрузок к появлению трещин в покрытии и его разрушению.

Для улучшения рабочих характеристик покрытия при многократных термоциклических нагрузках предлагается способ продольного послойного наноструктурирования. Способ заключается в напылении покрытия через маску с отверстиями и перемычками между ними. Таким образом, механизм образования покрытий в открытых и затененных областях разный. В области отверстий происходит образование обычного плазменно-кластерного покрытия со структурой, состоящей из сильно пластифицированных частиц. А в области затенения реализуется течение Прандтля-Майера - сверхзвуковое обтекание перемычки паровой фазой материала в маске с образованием веера волн

Слайды и текст этой презентации

ПРЕЗЕНТАЦИЯ НА ТЕМУ: НАНОЧАСТИЦЫ В КОСМОСЕ

Выполнил Илья Бунин 9в

Наночастицы в космосе

Альтернативные источники энергии, которые могут быть использованы в космосе – вот какую цель поставили перед собой нанотехнологии университета Буффало. Их исследования выявили ряд интересных свойств наночастиц кремния, которые могут быть в будущем очень и очень полезными для человечества в качестве наполнителя топливных элементов. Проект находится в стадии разработки

. Ученые из университета Буффало смогли изготовить сферические наночастицы кремния, которые при контакте с водой становятся источником частиц водорода. Таким образом, как они говорят, ими было разработано топливо для водородных элементов. При контакте кремния с водой возникает химическая реакция, которая не требует подвода внешней энергии и света. В ходе нее образуется кремниевая кислота, которая является побочным продуктом, и газообразный водород. Проведенные исследования показали, что полученный таким образом водород достаточно чистый.

Таким образом, небольшого количества кремниевых частиц хватает для того, чтобы привести в действие топливный элемент, который питает двигатель небольшой вентилятор.

Шестьдесят атомов углерода, соединенные в форме усеченного икосаэдра, формируют наночастицу, называемую бакиболлом (buckyball), а в науке такие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода известны под названием фуллеренов. По внешнему виду такие молекулы весьма напоминают крошечные футбольные мячи, и в свое время мы рассказывали, что ученые-астрономы с помощью космического телескопа Spitzer обнаружили огромные количества бакиболлов, плавающих в космическом пространстве в районе "умирающих" звезд. Совсем недавно ученые-астрономы с помощью все того же телескопа вновь обнаружили скопления бакиболлов, но на этот раз не в газообразной форме, а в виде плотной материи, строение которой весьма напоминает апельсины, сложенные в ящике.

Бакиболлы являются относительно большими молекулами, но если сложить вместе их большое количество, они все равно не станут составлять единое целое. Поэтому ученые, обнаружив в районе двух звезд, удаленных на 6500 световых лет от Земли, небольшие твердые объекты, состоящие исключительно из фуллеренов С60, были весьма удивлены. Ведь совершенно неизвестно какие именно силы и взаимодействия удерживают вместе эти нейтральные молекулы-наночастицы. При этом, это не единичный случай, если сложить вместе все твердые тела, состоящие из бакиболлов, то получится объем, превышающий объем горы Эверест в 10 тысяч раз.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Мои предложения ……………………………………………………

Космические исследования, проблемы освоения космического пространства стимулировали развитие многих отраслей современной техники. Выдвинутые космонавтикой научно-технические задачи требуют во всем объеме нового подхода к их осуществлению. Найденные при этом технические решения уже находят применение во многих областях народного хозяйства.

Строительство ракет потребовало создания принципиально новых материалов, способных терпеть сверхнизкие, равно сверхвысокие температуры, устойчивых к переменным нагрузкам, вибрациям, резкой смене напряжений. Такие материалы были созданы, также нашли широкое применение в технике, в частности в тех областях, так или иначе говоря, не так связанных с плазменными процессами. Ограничение веса и габаритов приборов - необходимое требование успешного проведения исследований в космосе - оказало существенное действие на улучшение в области миниатюризации технических средств преимущественно в области электроники и вычислительной техники.

Решение задач, связанных с проникновением в глубины космоса, ускорило темпы совершенствования систем автоматического управления, радио-телеризионной аппаратуры, быстродействующих электронных машин. Космонавтика дала толчок развитию новых направлений кибернетики.

Космические исследования и полеты человека выдвинули всё новые, исключительно высокие требования к надежности ракетно-космических систем. Потребовалось решение сложнейших задач, обеспечение высокой надежности систем и их элементов быть минимальных весах и габаритах.

Некоторый приборы, датчики а также элементы автоматических устройств, разработанные для космических исследований равно ракетной техники, уже находят применение в различных областях народного хозяйства. Можно было бы привести много примеров такого применения.

Мощный толчок получат и технические науки, связанные созданием средств ракетно-космической техники: механика космического полета, теория управления, учение двигателей, материаловедение, химия ракетных топлив, ракетодинамика, радиотехника также другие области науки.

Я решил остановиться на использовании открытий нанотехнологии для космоса, так как эта область вызывает у меня наибольший интерес.

Актуальность работы: будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.

Цель: показать неограниченные возможности современной науки и техники в развитии нанотехнологий, познакомиться с современными достижениями и пробудить интерес к проблеме нанотехнологий.

-изучить основные направления и методы исследований в области нанотехнологий;

‐ узнать практическое значение разработок нанотехнологий в области робототехники, автоматики и космонавтики;

-познакомить с открытиями учащихся старших классов и показать значение открытий нанотехнологий для космоса;

Практическая значимость работы заключается в том, данная работа позволит расширить кругозор в данной области, познакомиться с новейшими достижениями науки и техники.

Автоматические системы и н анотехнологии в космосе .

Благодаря нанотехнологиям стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.

Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

Ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. С помощью нанотехнологии можно создать не только что-то микроскопическое, невидимое для человеческого глаза.

Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом, исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили создать космический лифт. Ученые полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности. По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяющий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли. Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю вверх и вниз, перенося спутники, которые нужно вывести на орбиту. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры. Ученые предлагают разместить наземную базу космического лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно, что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бывает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту. В освоении космоса начнется новая эра!

Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов.

Что случится, если порвется лента?

Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане.

Но все же, что произойдет, если лента порвется?

Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее не сгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты) и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.

Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?

Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.

Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу?

В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.

2) Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими, настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.

3) При пересечении магнитных полей проводником в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет очень мал, поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.

Будут ли различные объекты задевать ленту?

Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли, будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра.

Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре.

Причем тут нанотехнологии?

Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью.

Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3–5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.

Самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, длиной всего несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря о 100 000 километрах.Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные.

Исходный материал – нанотрубки – обрабатывают этанолом, который в дальнейшем служит источником углерода, затем добавляют катализатор (ферроцен) и еще один реагент – тиофен. Смесь загружают в горячую печь, куда постоянно подают водород. Продукт получают в форме спутанных волокон, по виду похожих на сахарную вату. Затем эти волокна наматывают на вращающиеся стержни, в итоге получались скрученные волокна.

Но это лишь прототип новой технологии. Да и прочность полученного волокна пока не впечатляет – она не сильно отличается от прочности традиционных волокон. Однако уже видны различные пути увеличения прочности, например, за счет ориентирования углеродных трубок в одном направлении. Если прочность удастся повысить в 10 раз, то это значение приблизится к прочности углеродных волокон, а само производство волокна при этом может оказаться более дешевым за счет использования более дешевых компонентов. Пока не ясно, можно ли этим способом создать такой канат, который по прочности на разрыв будет, сопоставим с прочностью самих нанотрубок. Но если это удастся сделать, то появится шанс на сокращение срока постройки лифта.

Мои предложения:

Для ленты космического лифта я считаю можно было бы использовать алмазоид .

Алмазоид - алмазоподобная структура, построенная из атомов углерода методами механосинтеза, имеющая прочность и химическую инертность алмаза. Алмазоид будет использоваться в качестве основного материала при построении нанороботов.

В настоящее время один из способов получения алмазов является метод активированной газовой фазы (химический синтез) при давлениях вблизи и ниже атмосферного и температурах от 300 до 1600°С. Активируется реакция методом высокотемпературного химического транспорта системе графит-водород-алмаз. Атомарный водород реагирует с водородом, расположенным на поверхности затравочного алмаза, образуя молекулярный водород Н ₂ , оставляя активные места для будущей реакции присоединения димера углерода СС (для этого используют молекулы CH ₂ и CH ₃ ).

Но для получения алмазоида с помощью МНТ и наноробототехники, нужно каждый раз удалять атомы водорода на их место ставить димер углерода CC . Но для этого требуются определенные инструменты.

На сегодняшнее время сканирующие электронные микроскопы могут использоваться для создания химических ковалентных связей , при этом полученная структура не будет самопроизвольно деформироваться даже присутствии возле нее одного или двух атомов-реагентов. Но этого не достаточно для эффективного способа получения и массового производства алмазоидных материалов.

Актуальность работы: будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.

Сейчас разрабатывается проект, привлекший внимание со стороны ученых и широкой общественности. Речь идет о так называемом космическом лифте. Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана. Ученые полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности. Проблема при строительстве лифта это подбор материала для космической ленты, который должен быть очень прочным. Мои предложения в этом вопросе: считаю можно было бы использовать алмазоид . Алмазоид - алмазоподобная структура, построенная из атомов углерода методами механосинтеза, имеющая прочность и химическую инертность алмаза.

Вложение	Размер
нанотехнологии для космоса проектная работа	626.5 КБ
презентация к работе	1000.41 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

1. Автоматические системы и нанотехнологии в космосе ………….

Актуальность работы: будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.

-изучить основные направления и методы исследований в области нанотехнологий;

-познакомить с открытиями учащихся старших классов и показать значение открытий нанотехнологий для космоса;

Автоматические системы и нанотехнологии в космосе .

Благодаря нанотехнологиям стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.

Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов.

Что случится, если порвется лента?

Но все же, что произойдет, если лента порвется?

Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?

Будут ли различные объекты задевать ленту?

Причем тут нанотехнологии?

Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью.

Для ленты космического лифта я считаю можно было бы использовать алмазоид .

В настоящее время один из способов получения алмазов является метод активированной газовой фазы (химический синтез) при давлениях вблизи и ниже атмосферного и температурах от 300 до 1600°С. Активируется реакция методом высокотемпературного химического транспорта системе графит-водород-алмаз. Атомарный водород реагирует с водородом, расположенным на поверхности затравочного алмаза, образуя молекулярный водород Н 2 , оставляя активные места для будущей реакции присоединения димера углерода СС (для этого используют молекулы CH 2 и CH 3 ).

Появившись сравнительно недавно, нанотехнологии находят активное применение как в каждодневной жизни человека, так и в области научных разработок. Появляющиеся время от времени нанообъекты и наноэлементы не перестают удивлять новейшими, ранее неизвестными, качествами и свойствами. Все эти ноу-хау находят широкое применение в самых разнообразных сферах — от пластической хирургии до космоса.

Использование нанотехнологий в космических разработках признано многими специалистами этой области самым многообещающим и перспективным среди других направлений. Сегодня в космической индустрии наблюдается значительный прогресс.

Применение нанотехнологий при создании космической техники дает возможность усовершенствовать многие технические характеристики летательных аппаратов. Становится возможным продление сроков их эксплуатации и пребывания в открытом космосе. При создании этих аппаратов применяются наноматериалы, обладающие ярко выраженными усовершенствованными качествами. Это сверхтвердость, пластичность, легкость и прочность. Стало возможным уменьшение размеров и веса спутников, что делает их практически неуловимыми при попытке уничтожения со стороны недоброжелателей. Такие спутники могут весить не более двадцати килограмм.

Снижение массы космотехники дает большие плюсы. Это и продление срока пребывания в космическом пространстве, и возможность перемещаться на более дальние расстояния, и способность выдержать большой вес необходимой для исследований аппаратуры. Попутно снижаются энергозатраты. Ученые много работают над созданием нанотехнологий и в области оптики, каналов связи, путей передачи и приема больших объемов информации. По окончании разработок планируется внедрение аппаратов с новейшими характеристиками для более тщательного изучения малоизвестных космических явлений.

Использование нанотехнологий обещает многое воплотить в реальность. Например,создание космического корабля, способного к трансформациям, необходимым в определенных обстоятельствах. Или космического скафандра, позволяющего пребывать в нем без ограничений по времени. Фантазии об освоении новых планет вполне смогут реализоваться. Наноустройства способны обеспечить условия, жизненно необходимые для существования человека.

Освоение космоса в наше время — одна из наиболее приоритетных задач многих развитых государств. Обладание сверхсовременными наносистемами — это гарантия престижа и национальной безопасности. Полеты с целью освоения малоизученных планет Солнечной системы скоро перестанут быть фантастикой благодаря все тем же наноматериалам и наносистемам.

nanotekhnologii-v-sovremennom-mire скачать нанотехнологии в современом мире

Читайте также: