Нижегородские ученые рассказали о космических разработках
Ученые НГТУ им. Алексеева создают материалы, от которых буквально зависит жизнь космонавтов в открытом космосе
Ученые НГТУ имени Р.Е. Алексеева создают материалы, от которых буквально зависит жизнь космонавтов в открытом космосе. Эти разработки десятилетиями остаются «за кадром», но без них невозможна ни одна работа за пределами корабля. Подробнее о них рассказываем в спецматериале сайта pravda-nn.ru.
Тонкая пластина, от которой зависит жизнь
За тяжелыми скафандрами и героическими выходами в космос скрывается сложная инженерная система. И одна из её ключевых частей создается в лабораториях нижегородского политеха. Здесь, на кафедре материаловедения, разрабатывают специальные пористые материалы для систем жизнеобеспечения скафандров серии «Орлан» — тех самых, в которых космонавты работают за пределами МКС.
Скафандр в космосе — это не просто защита. По сути, это герметичный «термос», в котором человек оказывается один на один с вакуумом. И главная проблема — вовсе не холод, а перегрев.
«В космосе нет привычного теплообмена: ни ветра, ни конвекции, — объясняет доцент кафедры «Материаловедение, технологии материалов и термическая обработка металлов» Евгений Беляев. — Человек работает, выделяет тепло, и если его не отводить, он просто перегреется».
Для вывода излишек тепла используется принцип сублимации — переход вещества из твердого состояния сразу в газообразное. Работает это так: теплая вода, нагретая телом космонавта, проходит через тончайшую пористую пластину. На границе с вакуумом вода мгновенно замерзает, затем испаряется, унося с собой избыточное тепло.
Та же технология помогает решать и вторую проблему — влагу. Космонавт дышит, внутри скафандра накапливается водяной пар. Если его не удалять, шлем запотеет — а протереть его изнутри невозможно. Пористые материалы выводят влагу наружу тем же способом.
На создание одного такого материала в лаборатории может уходить до десяти лет. Сначала ученые получают техническое задание: какие должны быть поры, как материал должен пропускать воду или газ. Затем — подбирают порошки, режимы прокатки, спекания. А уже после приступают к самим испытаниям материала. По готовности его неоднократно тестируют: сначала на Земле, потом в космосе, сначала без людей, потом с участием экипажа.
«В космонавтике все правила написаны кровью», — отмечает Беляев.
«Ни один космонавт не выходит без политеха»
Исследования в области порошковой металлургии в НГТУ ведутся с 1950‑х годов. Именно эти исследования позволили создать пористые элементы и металлокерамические пластины, которые сегодня используются в скафандрах.
Не так давно в разработку ученые начали подключать искусственный интеллект — он помогает анализировать данные, строить цифровые модели материалов и прогнозировать их свойства.
Однако с годами задачи лишь усложняются. Если раньше выход в открытый космос длился сравнительно недолго, то сегодня космонавты работают по 8 – 10 часов. Это требует более эффективных систем охлаждения и влагоудаления.
При этом разработками нижегородского вуза пользуются не только российские космонавты, но и зарубежные, которые присутствуют на МКС. А заказчиками выступают Роскосмос и предприятия, работающие с высокоточными измерительными системами, включая технологии для ГЛОНАСС.
«В каждом космическом скафандре есть наши изделия, — отмечает Беляев. — Поэтому можно сказать, что ни один космонавт не выходит в космос без политеха».
Человечество не стоит на месте и вновь мечтает о возвращении на Луну, чтобы использовать ее как космическую станцию для исследования далекого космоса. Для таких полетов потребуются уже другие решения. В НГТУ это понимают — и уже начали разрабатывать новые типы теплообменников — например, испарительные, которые смогут функционировать в других условиях.
Невидимый каркас, на котором «держится» космос
Что, если большая часть Вселенной — это не звезды и галактики, а нечто невидимое и до сих пор непонятное? Ученые называют это «темной материей». По современным оценкам, на «обычную» материю приходится около 5% Вселенной, а примерно 27% составляет темная материя — субстанция, которую невозможно увидеть напрямую.
Главная её особенность в том, что она никак не взаимодействует со светом: не излучает его, не отражает и не поглощает. Поэтому никакой телескоп её не «заметит». Но при этом у неё есть масса и гравитация — благодаря чему исследователи и понимают, что она вообще существует: темная материя как будто «держит» Вселенную.
В 60‑х годах американский астроном Вера Рубин изучала, как вращаются галактики, и обнаружила странную вещь: звезды на их окраинах движутся слишком быстро. Если бы действовала только видимая материя и привычный Закон всемирного тяготения, то эти звезды давно бы разлетелись в космос. Но этого не происходит — а значит, есть дополнительная невидимая масса, которая удерживает их — и это как раз темная материя.
Поскольку увидеть её напрямую нельзя, ученые используют разные методы. Например, они наблюдают эффект гравитационного линзирования: это когда массивные объекты (в том числе скопления темной материи) искривляют пространство, и свет от далеких галактик изгибается, проходя рядом с ними. По этим искажениям можно буквально «нарисовать» карту невидимой массы. Также важную информацию даёт космическое микроволновое фоновое излучение — это «эхо» Большого взрыва, произошедшего 14 млрд лет назад, которое показывает, что во Вселенной с самого начала было больше материи, чем можно увидеть сегодня.
Ученые НГТУ им. Алексеева также не стоят в стороне в вопросе изучения темной материи. Они создают квантовые сенсоры, способные уловить едва заметные сигналы из глубин космоса, где привычные законы физики не действуют.
Один из таких сенсоров — криостат, охлаждающий оборудование почти до абсолютного нуля — это около ‑273 градусов. В таких условиях работают сверхчувствительные детекторы — болометры и джозефсоновские контакты, способные регистрировать одиночные фотоны.
«Нам не хватает счетчиков одиночных фотонов, и мы как раз занимаемся их созданием», — отмечает ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Сверхпроводниковая наноэлектроника» НГТУ им. Алексеева Андрей Панкратов.
Согласно одной из гипотез, частицы темной материи — например, аксионы — в сильном магнитном поле могут превращаться в фотоны. И задача ученых — поймать этот едва уловимый сигнал.
Однако даже если такие частицы удастся обнаружить, главная проблема никуда не денется: масштабы Вселенной настолько огромны, что даже свет за время ее существования не успевает дойти до ее границ.
«Мы никогда не узнаем ее истинных размеров», — говорит ученый.
И в этом, возможно, состоит главный парадокс науки: чем больше мы узнаем о Вселенной, тем яснее становится, насколько она нам неизвестна.
Ранее на сайте pravda-nn.ru рассказали, как выживают космонавты на орбите.
