IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
АЭРОГЕЛЬ – ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ЛУННОЙ БАЗЕ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Сейчас как никогда как никогда актуальна цель освоения Луны. Создаются концепты базы, готовят людей, создают прототипы межорбитальных кораблей и т.д. Но с 1960-х годов многие технологии ушли далеко вперёд в своём развитии, и потому некоторые идеи того времени попросту устарели. Раньше считалось, что если накрыть базу слоем лунного реголита, можно предотвратить облучение космической радиацией, но несколько десятилетий назад установили, что сам по себе Реголит является источником облучения, и эту идею откинули. Те же изменения коснулись и сферы изоляционных материалов, разительно отличающихся от первых разработок. Актуальность работы "Аэрогель" состоит в том, что этот материал уникален по многим своим свойствам. Обладая высокими огнеупорными, водонепроницаемыми, и высокопрочными свойствами он может стать незаменимым компонентом частей Лунной базы, предотвратив возможные проблемы. Целью данной работы является ознакомление с этим материалом, его свойствами и особенностями, чтобы продвинуть идею повсеместного использования Аэрогеля в космической отрасли.
Свойства АэрогеляАэрогель — Уникальный во многих смыслах материал. Только увидев и подержав брусок аэрогеля в руках начинаешь понимать всю его необычность. Будучи твердым материалом, он на 99,8% состоит из воздуха и способен выдерживать вес, превышающий его собственный в тысячи раз.
Аэрогели водонепроницаемы и огнеупорны (Выдерживают температуру в 1500C) , могут служить электрическими проводниками, а изоляционные свойства расширяют сферу его применения. Несмотря на то, что аэрогель синтезировали лишь в ХХ веке, его применяют лишь в узкоспециализированных областях, чему способствует высокая цена.
Рис. 1 Аэрогелевая вставка весом 2 грамма с лёгкостью выдерживает 2,5 кг. строительного кирпича.
Исходные материалы для аэрогеля составляют в цене примерно 1000$ за кубический сантиметр, а это значит, что на данный момент аэрогель гораздо дороже золота. Второй проблемой так же является очень малая пластичность, а значит и хрупкость. Аэрогели могут выдержать высокое давление, но вовсе не прямой удар. Тем не менее, примеры обратного существуют, о чём пойдёт речь далее.
Состав и получение Аэрогеля
Рис. 2. Стивен Кистлер
Изготовление Аэрогеля не является чем-то трудновыполнимым, и его вполне можно создать в домашних условиях. Но это будет очень сложно, а с высокой вероятностью результат окажется несколько отличным от ожиданий, и это без учёта высоких затрат. Основой для него служит гель — вещество, состоящее из макромолекулярной сетки и низкомолекулярного растворителя, заполняющего её поры. Вода, спирт и углеводороды могут служить этим самым растворителем, а структура — диоксидом кремния, оксидом алюминия, желатином и т. д. Но в аэрогеле наполнитель заменяется воздухом, в отличии от обычного геля, тем самым образуя пористую структуру.
Алкогель, так же называемый силикагелем - это структура, образованная растворами кремниевых кислот, поры которого были заполнены спиртом. Первый аэрогель был получен именно из такого вещества. Изначально, никто не думал о сложностях, вызываемых извлечением жидкой составляющей и заменой её газообразной. Вот только если провести данную операцию грубо, структура деформируется и заполнит все воздушные поры. Всё время, которое люди изучают аэрогель, происходит усовершенствование материала, для решения подобных проблем. Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler, 26 марта 1900 – Ноябрь 1975) из Тихоокеанского колледжа в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшим в 1931 году свои результаты.Стивеном Кистлер родился в маленьком городке Сидервилл на северо-востоке Калифорнии. Семья переехала в Санта-Розу, когда ему было 12 лет и тогда он впервые заинтересовался химией. Поступил в Тихоокеанский колледж в 1917 году. После краткого периода работы на компанию Standard Oil Company, он вернулся в академические круги, и начал преподавать химию вплоть до 1931 года.
Стивеном Кистлер получил свою известность в качестве создателя Аэрогеля, когда синтезировал его в 1931 году. Онзаменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме, соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь. Метод, который он использовал в своём эксперименте, выглядит так:1. За исходники берётся твердый гель (изготовленный с использованием, например, алкоголятов кремния), катализатор и водный раствор спирта.2. Для удаления избытка воды гель несколько раз замачивают в спирте.3. Затем гель под давлением помещают в контейнер со спиртом и доводят до критической точки путем повышения температуры и давления.4. По прохождении критической точки вещество приобретает одновременно свойства жидкости и газа. Затем давление постепенно понижается при сохранении постоянной температуры. Флюиды в газообразной форме выходят из вещества.
5. Во время охлаждения частицы диоксида кремния образуют твердую структуру. Оставшегося спирта в газообразной форме слишком мало, чтобы конденсироваться обратно в жидкость, — он остается в нанопорах в качестве газа. Остаточный газ выводится из аэрогеля с помощью вентиляции.
Виды Аэрогелей
В промышленности наиболее распространенны три типа Аэрогелей: Силикагели,Углеводородные Аэрогели и Аэрогели на основе оксидов металлов. Силика-аэрогели имеют голубоватый оттенок, связанный с тем, что материал содержит очень много частиц силики (Т.е.оксида кремния) и заполненных воздухом микроскопических пор, рассеивающих коротковолновое излучение лучше, чем длинноволновое (Отражает лишь синие и фиолетовые цвета). По той же причине, почему небо в ясный день имеет голубой оттенок: рассеивание света в атмосфере через молекулы газа.
Углеводородные аэрогели имеют чёрный цвет, напоминая на ощупь лёгкий уголь. Они имеют большую площадь поверхности, а их свойства могут помочь в создании топливных элементов.
А вот, аэрогели на основе оксидов металлов используются в качестве взрывчатых веществ на производствах, катализаторах при химических реакциях, карбоновых нанотрубок , и т. д. В отличие от силикогеля и углеводородного Аэрогеля, металлические могут быть разных цветов, в зависимости от используемого исходника.Помимо этих трёх видов распространенны ещё Кварцевые аэрогели. Примечательны они тем, что плавятся при 1200С. В 2011 году аэрогель на основе многослойных углеродных нанотрубок с плотностью 4 мг/см3 уступил место самому легкому материалу в мире, имеющему микро- решетчатую структуру с плотностью 0,9 мг/см3. Позже его сместил аэрографит (0,18 мг/см3), но на данный момент первенство принадлежит графеновому аэрогелю с плотностью 0,16 мг/см3.
Применение Аэрогеля на Земле
Обладая такими универсальными свойствами, Аэрогели применяются во многих областях производства, часто заменяя устоявшиеся материалы. Но, пожалуй, самой значимой областью применения остаётся космическая отрасль. Агентство NASA в 1999 году запустило космический аппарат «Стардаст», чтобы исследовать комету 81P/Вильда. Пролетев около 5 млрд. километров, «Стардаст» достиг кометы, сделал ряд фотоснимков и собрал частицы облака пыли и газа, окружающего комету.
Рис. 3 Аппарат "Стардаст" и доставленные им образцы
В этой миссии аэрогель использовался для сбора образцов, во многом из-за своих абсорбирующих свойств. 260 аэрогелевых вставок уловили большое количество частиц и стали достаточно надёжными хранилищем образцов, в котором они смогли долететь до Земли в полной сохранности. Ничто не мешает использовать в таких целях и другие материалы, но лишь Аэрогель обладает настолько высокими абсорбирующими свойствами с учётом своей малой массы.
Сейчас аэрогели применяются в производстве силикона и строительных материалов. Его можно встретить в косметике, краске, тканях, нацеленных на огнеупорность и водонепроницаемость, и даже в ядерной отрасли. Но основное употребление он нашел в сфере изоляционных материалов.
Вперед в будущее. Применение аэрогеля на Луне
Ни для кого не секрет, что в ближайшем будущем планируется создание исследовательской Лунной базы. Уже спроектирован корабль "Федерация", который доставит на спутник Земли всё необходимое, проводятся эксперименты длительного воздействия слабого магнитного поля и гравитации на человека, а концепты строения самой базы часто обсуждаются в научных кругах. Но специалистам придётся решить ряд задач, чтобы работа на базе могла иметь долгосрочные перспективы. Широкими проблемами считаются:1)Проблема герметичности обшивки. 2) Проблема теплоизоляции внутренней части модулей.3) Проблема удержания нужного давления.4) Проблема защиты людей, при внешнем повреждении обшивки.5) Проблема повреждения луноходов во время исполнения научных и поисковых задач.6) Проблема высоких затрат на межорбитальную доставку необходимых компонентов. Всё это без серьёзных трудностей решается современным оборудованием и не является передовой проблемой для специалистов. Но что если действительно можно повысить степень надёжности всего жизнеобеспечения, и ещё понизить затраты на всё это? Ответ есть - Используя Аэрогель.
При всех своих особенностях, Аэрогель действительно универсален в плане освоения Луны. Современная наука чаще всего базируется на исследованиях, которые проводятся в хорошо оборудованных лабораториях целыми институтами. Но Аэрогелем, как ни странно, может заниматься и ученый-одиночка — необходимое оборудование сравнительно доступно. Это открывает достаточно широкие возможности для исследований, а в интернете можно найти целые сайты, посвященные методике и рецептам по изготовлению Аэрогелей. Так что, при наличии базовых компонентов, его можно изготавливать прямо на месте, не тратясь на дорогостоящие перевозки готового материала.
Пути решения проблем
К сожалению, Аэрогель не тот тип материалов, который можно сделать просто обшивкой базы. Само его строение предполагает хранение в местах, защищённых от резких ударов, а внешняя оболочка при установке будет наиболее подвержена ударам. Так какой вариант модулей базы будет наиболее работоспособным, если использовать предложенный материал?Концепт строения Лунного модуля ( рис.1 ) , в котором Аэрогель будет использоваться наиболее рационально. Принцип такого устройства предполагает 2 секции - внешнюю и внутреннюю. Первая подстраивается под внешнюю среду, решая таким образом проблему поиска идеально ровной поверхности для конструкции. Внутренняя же решает все остальные задачи. Во-первых, именно пространство между секциями наиболее подходит для Аэрогелевого слоя защиты. Он будет защищён от повреждений, и давления, а так же решит все перечисленные проблемы герметичности и теплоизоляции.
|
Рис. 1
|
Так же, в отличии от современных изоляционных материалов, Аэрогель можно переправить на Луну в гораздо большем количестве, учитывая его малый вес и удобство воссоздания на месте. Предполагается, что этот вариант, вкупе с остальными, даст возможность ускорить процесс освоения нашего спутника
Заключение В результате созданного проекта по усовершенствованию возможностей изоляции Лунной базы, нами было выявлено, что Аэрогель преобладает над другими материалами по многим параметрам, что существенно позволяет экономить ресурсы на транспортировку, увеличивает возможности повсеместного использования, а так же уменьшает риски, связанные с внутренними повреждениями. Мы видим дальнейшую перспективу применения Аэрогеля в космической отрасли, его интеграции в исследовательский процесс, занимающегося подобного рода разработками.
ЛИТЕРАТУРА Рыбакова, О. А. Прочная невесомость или аэрогель / О. А. Рыбакова, А. В. Лысенко, В. Б. Алмаметов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2008. Т. 2. № 1. С.;1-3. Смирнов, Б. М. Аэрогели / Б. М. Смирнов // Успехи физических наук. 1987. Т. 152. № 1. С.;135-137.Использованные источники информации Сети интернет
1) http://elementy.ru/nauchno-populyarnayabiblioteka/432011/Kogdavozdukh_kazhetsya_tyazhelym (дата обращения 12.01.2017)2) https://hi-news.ru/technology/samym-legkim-materialom-v-mire-stal-grafenovyj-aerogel.html (дата обращения 22.01.2017)3) https://ru.wikipedia.org/wiki/Аэрогель (дата обращения 12.02.2017)4) http://www.aerogel-russia.ru/info/about.html (дата обращения 12.02.2017)5) http://ru.wikihow.com (дата обращения 2.02.2017)6) https://ufn.ru/ufn87/ufn87_4/Russian/r874l.pdf(дата обращения 12.01.2016)7) http://elementy.ru/novosti_nauki/432045/Aerogel(дата обращения 2.01.2017)