Кольчуга для ракеты и умная пена: 7 суперматериалов, благодаря которым человечество может летать
Космонавтика и авиация — отрасли, где требования к материалам особенно высоки. Чтобы удовлетворить сложные запросы инженеров, проектирующих ракеты и самолеты, химикам прошлого века пришлось изрядно поломать головы и изобрести ряд веществ с удивительными свойствами — суперсплавы, композитные и умные материалы. Журналистка и авторка канала «дайджест антропоцена» Ольга Дерюгина предлагает исследовать мир новых материалов и погрузиться в прошлое и будущее путешествий по воздуху и в открытом космосе.
Суперсплавы
Чтобы отправить летающую машину в небо, инженеры должны были найти материал, который мог бы выдержать резкие температурные перепады и быть при этом достаточно легким и прочным. Корпус первого самолета, созданного братьями Райт в 1903 году, состоял из дерева, ткани и стальной проволоки. Он был легким, но не самым надежным.
Чуть позже немецкие и американские изобретатели догадались использовать алюминий для корпуса летательного аппарата. Металл гораздо больше подходил для этой цели, но всё еще имел ряд недостатков, среди которых — значительный вес.
К материалу для двигателя требования были еще жестче, чем к материалу для корпуса: от него требовались жаропрочность и выносливость, ведь горючие газы могут достигать температуры в 1500 ℃. Большинство металлов при такой температуре начинают плавиться. Кроме того, во время полета лопасти совершают десятки тысяч оборотов в минуту, что приводит к быстрой изнашиваемости материала.
Как справиться с этой проблемой, впервые догадался британский инженер Фрэнк Уайт, когда к нему в руки попал патент на необычный сплав из никеля, хрома, алюминия и титана. По какой-то причине соединение было устойчивым к воздействию высоких температур. Ученые смогли выяснить, почему суперсплав обладает такой удивительной способностью, только 20 лет спустя, когда был создан электронный микроскоп.
Дело оказалось в структуре металлического сплава: одни кристаллы вырастали внутри других, удерживая частицы от передвижения при нагревании.
Сам термин «суперсплавы» появился после Второй мировой войны, вероятно, под влиянием моды на супергероев из комиксов. К 2010 году новый материал позволил повысить эффективность используемого топлива в реактивных самолетах на 55%. Помимо того, что суперсплавы не деформируются при высоких температурах, они также обладают гибкостью и высокой прочностью.
Сегодня корпус самолета может на 75% состоять из металлических сплавов, в которых обычно содержится алюминий. Для турбореактивных двигателей используют сплавы никеля.
Композитные материалы
Композитные материалы состоят из наполнителя и связующей основы (матрицы). Дерево и кость относятся к природным композитным материалам: в дереве соединяются волокна целлюлозы с матрицей из лигнина, а кость включает в себя частицы гидроксиапатита и основу из коллагена. Если речь идет об искусственных гибридах, то, как правило, компоненты подбирают с существенно различающимися физическими и/или химическими свойствами, чтобы получить материал с сильными сторонами обоих веществ.
Композитные материалы были известны человечеству с давних времен. Еще в Древнем Египте добавляли солому в глиняные кирпичи, чтобы предотвратить трещины и повысить стойкость конструкции. Но настоящая революция в материаловедении произошла после изобретения фенольной смолы в 1909 году. Композиты на ее основе быстро нашли применение в авиастроении. К примеру, duramold, композит из березовой фанеры и фенольной смолы, использованный для летающей лодки эксцентричного магната Говарда Хьюза, на 80% прочнее алюминия.
Сейчас в авиационной индустрии чаще всего применяют синтетические полимеры, усиленные кевларом, углеродным или стекловолокном. Чтобы еще больше усилить прочность материала, инженеры создают «сэндвичи», комбинируя несколько слоев композита.
В отличие от обычных металлов композиты могут принимать гораздо более сложные формы. Благодаря компьютерному проектированию не составляет труда получить из такого материала единую конструкцию крыла длиной в 18 метров. Алюминиевая же конструкция собирается из отдельных частей, которые крепятся друг к другу огромным количеством болтов. Это сложнее, дольше и ведет к увеличению массы самолета.
Читайте также
Конец прекрасной эпохи. Какой будет лебединая песня биосферы
Небольшой вес — еще одно важное качество композитов. Масса деталей из композитов составляет примерно пятую часть от массы точно таких же деталей, сделанных из алюминия. Поэтому композитные материалы помогают значительно снизить эксплуатационные затраты и сократить количество выбросов CO2 в атмосферу.
Соотношение алюминиевых и композитных деталей в самолетах разнится: так, примерно 80% объема Boeing 787 состоит из композита, а на самолетах Airbus A320 или Boeing 747 деталей из углепластика не больше 20–25%.
За счет своих многочисленных преимуществ синтетические гибриды привлекли внимание инженеров-экспериментаторов. Например, композиты составляли основу грузового самолета-вертолета с необычным дизайном, созданного в 1980-е по заказу DARPA, и пришлись кстати для производства двубортной модели The VMS Eve (она же получила название «Белый рыцарь два») авиакомпании Virgin Atlantic.
По словам руководителя компании «АэроКомпозит» Анатолия Гайданского, у композитов есть одно слабое место: они имеют невысокую стойкость к удару. Причем снаружи трещины иногда незаметны, и если вовремя не обнаружить их в самолете, то может произойти катастрофа. Гайданский считает, что со временем этот недостаток можно будет устранить с помощью добавления в композит наноструктур.
Сплавы с памятью формы
Как это нередко бывает с громкими открытиями, сплавы с памятью формы обнаружили случайно, когда в 1959 году американские ученые решили соединить никель и титан. Исследователи были поражены удивительным свойством нового материала: он мог самостоятельно «оправиться» от вмятины и вернуться к исходной форме. Полученный сплав назвали нитинолом, а класс веществ с таким свойством — материалами с памятью формы.
Волшебная трансформация обычно происходит при нагревании. Точка фазового перехода у каждого сплава разная. К примеру, нитинол способен изменить свою форму при температуре чуть выше комнатной. Более современные материалы иногда имеют две точки фазового перехода — это значит, что они могут переходить в одну форму при нагревании и в другую — при охлаждении. В случае нитинола, увы, при каждой трансформации часть атомов дезертирует. Но сейчас существуют более стойкие соединения. Одно из них в 2015 году создали ученые Экхардт Квандт и Манфред Вуттиг. Их сплав способен до 10 млн раз возвращаться в исходное положение, не теряя при этом атомы.
Некоторые сплавы «вспоминают» свою изначальную форму, даже если их многократно скрутить или изогнуть. Такое свойство называют псевдоэластичностью, или суперэластичностью. Во время трансформации молекулы меняют положение. С точки зрения физики это похоже на переход воды из жидкого в газообразное или твердое состояние, только в случае сплавов материал сохраняет твердость, так как расстояние между молекулами по-прежнему остается небольшим.
В авиационную индустрию сплавы с памятью формы впервые попали в 1969 году. Их использовали для создания труб в гидравлической системе летательного аппарата F-14.
Сейчас такие материалы в основном используются в системах оповещения о пожаре — при нагревании детали из них меняют форму. Суперэластичные сплавы также нашли применение в медицине — из них делают регулируемые катетеры и проволоку для ортодонтического лечения.
Memory foam
За свою полувековую историю лаборатория NASA произвела на свет около 2000 изобретений, которые оказались полезны в сельском хозяйстве, промышленном производстве, сфере здравоохранения и IT. Среди вещей, технологий и материалов, разработанных изначально для космических миссий, — замороженные продукты, противопожарное оборудование, спасательное одеяло, ручной пылесос, кохлеарный имплантат и memory foam (дословно «пена с памятью»).
Memory foam — еще один материал, умеющий возвращаться в исходное состояние. Если металлические сплавы удивляли своей прочностью, то главный козырь memory foam — мягкая, обволакивающая структура и способность выдерживать большой вес. Изначально материал называли «пеной, которая медленно выпрямляется» (slow spring back foam). Инженеры NASA использовали ее для сидений внутри космического корабля. Задачей такого наполнителя было смягчить удар при экстренном приземлении или крушении и увеличить шансы экипажа на выживание. Новый материал был востребован и в авиации.
По словам одного из ученых, принимавших участие в его создании и испытаниях, кресло из memory foam с большой вероятностью могло пережить крушение самолета. Кроме того, как выяснилось позже, чудесная пена также обеспечивала комфорт при длительном сидении, так как вес тела распределялся более равномерно.
В 1990-е годы мягкий материал с памятью формы появился и на американском потребительском рынке. Из memory foam стали производить матрасы, быстро завоевавшие популярность. С одной стороны, их рекомендуют при бессоннице и болях в спине, с другой, ругают за синтетический состав, который может оказаться небезопасным для здоровья.
Аэрогель
Аэрогель — материал настолько необычный, что его неоднократно заносили в Книгу рекордов Гиннесса. Он пористый и на 99,8% состоит из воздуха, а его плотность всего в три раза больше плотности воздуха, то есть весит такой «замороженный дым» меньше перышка. Если поместить аэрогель перед листом бумаги, он практически полностью сольется с фоном. Материал сложнее разглядеть, чем стекло, несмотря на то что он менее прозрачный. Это связано с тем, что у аэрогеля низкая плотность, поэтому свет почти не преломляется, проходя через материал, объясняет эксперт по материалам Марк Медовник в книге Stuff Matters. По этой же причине на поверхности «желе» едва ли можно заметить отражение.
Другое поразительное свойство этого желеобразного вещества — способность противостоять жару. Он считается лучшим изоляционным материалом в мире.
Несмотря на все свои удивительные качества, из-за больших производственных затрат аэрогель был невыгоден для использования в промышленности и потребительских товарах. Однако он оказался необходим для нужд науки и космонавтики. В NASA легкий материал действительно пригодился для изоляции, а исследователи из ЦЕРН с его помощью смогли изучить эффект Вавилова — Черенкова. Американские космонавты нашли ему еще одно необычное применение: с его помощью собирают космическую пыль. Ни один другой известный людям материал не смог бы справиться лучше с этой задачей, поскольку метеориты летят на огромной скорости, а достигая атмосферы, нагреваются до экстремально высоких температур. К счастью, специальная космическая «ракетка» из аэрогеля может аккуратно поймать частицы и помочь благополучно доставить их на Землю для изучения.
Самовосстанавливающиеся материалы
По подсчетам ученых, вокруг нашей планеты кружится более 128 млн обломков пришедших в негодность кораблей, спутников и других технических объектов. Космический мусор может повредить корпус ракеты или спутника. Чтобы избежать такого исхода, пригодился бы материал, способный выдержать столкновение с твердым предметом. Благодаря стараниям инженеров NASA материал, способный самостоятельно залатать образовавшиеся дыры, недавно стал реальностью.
Идея самозаживляющейся поверхности была вдохновлена биологическими системами. Используя кровяные клетки в качестве заплатки, живые организмы умеют восстанавливать кожный покров после небольших ранений. По такому же принципу работают и самовосстанавливающиеся материалы. Их существует два типа. Первый тип — это композиты, у которых «лечащие» частицы не входят в состав матрицы и активируются в случае повреждения поверхности. У второго типа клейкие частицы относятся к компонентам матрицы, а процесс заживления основан на межмолекулярных связях материала и зачастую не зависит от непосредственного физического контакта с инородным объектом.
Один из таких материалов произвели в NASA в 2015 году: между двумя твердыми слоями полимера находилась прослойка из жидкой резины. Когда во фрагмент умного материала на большой скорости врезался острый объект, резина начинала затвердевать под воздействием высвободившейся в результате удара энергии. В представленном ниже видео пулевое отверстие на образце умного полимера легко и быстро затягивается.
Трехмерная печать
В ракетостроении особенно ценятся легкие материалы, поэтому инженеры и химики из NASA постоянно ищут более современные и невесомые вещества. Подойти к материаловедению с новой стороны в начале XXI века позволила трехмерная печать. С ее помощью можно контролировать структуру материала и задавать ему любую форму, таким образом управляя и весом полотна.
В 2015 году команде инженеров NASA под руководством Рауля Полита Касильяса удалось создать металлическую «ткань». Прототип материала внешне похож на кольчугу, состоящую из соединенных между собой небольших пластинок. Только в отличие от кольчуги он собирается машиной, а не вручную. «Ткань» печатается слой за слоем. Такой процесс называется аддитивным производством. В самой лаборатории технологию называют четырехмерной: инженеры могут запрограммировать не только геометрию, но и функцию материала.
Космическая кольчуга легко гнется и обладает достаточной прочностью при растяжении. Кроме того, она наделена пассивной терморегуляцией: одна сторона полотна отражает свет, а другая, наоборот, поглощает.
Благодаря этим свойствам материал можно использовать для создания антенн и других складных устройств. «Ткань» также подойдет для изготовления щитов, защищающих корабль от осколков метеоритов, и костюмов космонавтов.
Ученые полагают, что такая технология позволит производить материалы не только на Земле, но и непосредственно во время пребывания в космосе. Допустим, для ремонта одного из бортовых приборов необходима деталь, которой у экипажа нет. С помощью 3D-принтера ее легко можно создать прямо на космическом корабле. Первые эксперименты в этом направлении уже проводятся: например, Китай в прошлом году успешно протестировал возможности трехмерной печати в невесомости и продемонстрировал два образца, выполненных из карбонового композитного полимера.
Американский стартап Relativity Space предлагает и вовсе на 3D-принтере печатать сами ракеты. В компании сообщают, что на сбор ракеты уйдет всего 60 дней. Испытания первой экспериментальной модели запланированы на 2021 год. В будущем, надеются в Relativity Space, космический корабль можно будет распечатать и на Марсе.
Внеземные материалы
Отдельных энтузиастов вроде Илона Маска и представителей NASA не покидает мысль о покорении Марса. Но чтобы выжить на далекой планете и построить там город, понадобится целый набор различных материалов. Как решить эту проблему, если на ракете существуют строгие ограничения по весу перевозимого груза? Предприимчивые инженеры и ученые утверждают, что всё не так безнадежно, как сперва кажется.
Из атмосферы Марса можно добыть углерод и использовать его для изготовления пластика или в качестве источника энергии. Необходимые для жизни азот, кислород и водород содержатся в азотном и углекислом газе, ледяной воде и зонах вечной мерзлоты. Так что их с большой вероятностью тоже удастся извлечь, опираясь на достижения химии и физики.
Для строительных нужд можно приспособить глинистые породы, которые в изобилии присутствуют на поверхности Марса. А в горных породах планеты можно обнаружить множество минералов, в том числе железо, титан, никель, серу и кальций. Кроме того, судя по пробам, взятым космическим аппаратом «Викинг», основной компонент стекла — диоксид кремния — является самым распространенным элементом на Марсе.
Вполне вероятно, что в недрах далекой планеты таятся и другие ценные материалы, о которых мы пока не знаем. Если вслед за Маском всерьез поверить в перспективу проживания на Марсе, то легко представить, что будущих материаловедов ожидает немало сюрпризов, сложностей и открытий. Ведь новые условия жизни потребуют не только адаптации известных нам технологий, но и изобретения абсолютно новых материалов.