Суперсплав и лунная стройка: новые технологии для покорения космоса
Из чего построить дом на Луне? Из кирпичей? Тащить далеко. Из надувных модулей? Ненадёжно. Есть более элегантное решение: использовать лунную пыль! А чтобы долететь до этой самой Луны, уже готов новый суперпрочный сплав для космических кораблей (и не только).
Наука не стоит на месте, и материаловедение не исключение. Наши учёные создают материалы, которые смогут выдержать экстремальные условия, и подготавливают почву (буквально) для строительства на Луне.
Давайте разберёмся, о чём речь.
Суперсплав
Начнём с того, что учёные из НИТУ МИСИС и их коллеги из Египта разработали новый сплав на основе алюминия. Этот материал, который уже успели окрестить «кроссоверным», обещает стать настоящим прорывом для аэрокосмической и автомобильной промышленности.
В чём его фишка? Прочность, жароустойчивость и отличные литейные свойства.
Цифры впечатляют: прочность нового сплава после термообработки — более 400 МПа. Для сравнения, у обычных алюминиево-медных сплавов этот показатель максимум доходит до 350 МПа.
А ещё новый материал выдерживает температуры до 200°C, что делает его идеальным для авиации и космоса, где металл постоянно испытывает серьёзные нагрузки.
Например, в авиационных двигателях или на внешних поверхностях космических аппаратов температура может меняться очень стремительно, и новый сплав способен выдержать эти экстремальные условия без потери своих свойств.
Новый сплав имеет высокую прочность, жаропрочность и технологичность при литье. Такое удачное сочетание обычно несочетаемых характеристик делает сплав универсальным и способным составить конкуренцию промышленным аналогамндрей Поздняков кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС
Зачем вообще нужны такие сплавы? Ответ прост: чем круче и технологичнее транспорт или оборудование, тем больше требований к материалам. Алюминиевые сплавы, конечно, давно уже не новость, но до сих пор у них были свои слабые места. Обычно с этим проблемами боролись путем добавления в сплав магния, меди или марганца.
Так и получались, например, силумины — сплавы алюминия с кремнием, медью и магнием, которые хорошо подходят для литья. Или дюрали — сплавы с медью и магнием, известные своей прочностью. И, наконец, сплавы с медью, магнием и цинком, которые тоже прочные, но чувствительны к температурам и внешней среде.
При исследовании выяснилось, что самыми перспективными будут тройные системы. В состав таких сплавов входят алюминий, медь, а также церий, иттрий, эрбий, иттербий или гадолиний.
Вот учёные и подобрали компоненты так, чтобы они усиливали друг друга. Добавили эрбий — получили прочность, заменили марганец на хром — получили пластичность, бросили в микс цирконий и титан — и вот тебе мелкозернистая структура, которая делает материал ещё круче.
Поэтому сплав и называют «кроссоверным».
Интересно, что при его создании исследователи использовали лом алюминиевых сплавов, а это не только экологично, но и экономично.
Лунный стройматериал: на пути к освоению космоса
Пока одни занимаются металлами, другие тоже не сидят без дела.
Если говорить о будущем освоении Луны, то одной из главных задач станет строительство жилых и технических помещений на её поверхности. И здесь на помощь приходит разработка для лунной инфраструктуры Кирилла Емельянова, студента Московского авиационного института.
Идея проста, но гениальна (буквально лежит на поверхности). Луна богата реголитом, тонкодисперсным лунным грунтом, и из него можно делать строительные материалы прямо на месте — ведь доставка стройматериалов с Земли влетит в копеечку (да и сколько возить надо?).
В общем, Кирилл предлагает следующее: реголит смешать с полимерными частицами, после чего смесь запечь лазером. В результате получится материал с прочностью на уровне бетона, что уже само по себе круто.
А прочности этой, примерно 20-25 МПа, вполне достаточно для строительства на Луне, ведь гравитация там в шесть раз меньше земной, а значит, нагрузки на конструкции будут значительно ниже.
Для сравнения, обычный строительный бетон на Земле имеет прочность в диапазоне от 20 до 40 МПа, в зависимости от класса.
Чтобы проверить, сработает ли это, испытания сначала проводятся на Земле с использованием имитатора реголита — базальта (ведь лунный грунт не привезёшь сюда в достаточном количестве).
Порошок базальта — имитатора лунного грунта, смешивали его с полиамидом-6. Смесь порошка базальта с полимером называется «порошкообразная высоконаполненная полимерная композиция». Она создавалась для того, чтобы уменьшить количество полимера, который, собственно говоря, будет поставляться на Луну.ирилл Емельянов студент МАИ
Тестируемая смесь состоит, в общем-то, из трёх компонентов: крупных частиц базальта, мелких частиц, которые заполняют пустоты между ними, и полимерного порошка, ~~для вязкости~~ для однородности. Затем всё это запекается ~~(до дыма)~~ и прессуется.
Дополнительно всё тестируется на специальном оборудовании. И кстати, часть экспериментов с материалом проводят не только на Земле, но и на МКС, ведь на Луну влияет целая куча космических факторов: радиация, ультрафиолет, перепады температур.
Кстати, этот материал показывает хорошую устойчивость к радиации и перепадам температур — от +127°C днём до -173°C ночью.
Полиамид-6, судя по всему, выбрали, потому что он недорогой и доступный, но при этом достаточно прочный и износостойкий, легко обрабатывается и формуется, имеет хорошую адгезию (сцепление) с другими материалами.
Однако стоит отметить, что он сам по себе чувствителен к ультрафиолетовому излучению (что критично для лунных условий), и может становиться хрупким при низких температурах. В любом случае, это неплохой выбор для первого раза.
Поэтому студенту предстоит подобрать идеальный полимер и оптимальные размеры частиц грунта, чтобы материал был не просто прочным, но и устойчивым. Например, полиэфиркетон — более дорогой, чем полиамид-6, но и более устойчивый к экстремальным температурам (до -260°C), радиации и химическому воздействию.
Как это связано?
И вот мы подходим к главному — эти две разработки, новый суперсплав и лунный стройматериал, обладают одним важным сходством: они обе направлены на то, чтобы человечество смогло расширить свои границы. Новый сплав позволит делать технику, которая выдержит любые испытания и на Земле, и в космосе.
Ну а лунный материал — это ещё один шаг в освоении нашего естественного спутника. Вместо того, чтобы думать, как выжить в космосе, мы уже начинаем планировать, как жить на других планетах.
Если мы будем расширяться, то использование местных ресурсов, таких как реголит, для строительства инфраструктуры на Луне — важный шаг на пути к созданию постоянных баз на других планетах. Ведь если мы научимся строить на Луне, то следующий этап — Марс и дальше (не будем же мы всегда возить свои кирпичи с собой?).
Хотя, с другой стороны, представляете, какие очереди будут на межпланетной таможне?