Применение нанотехнологий (1075549), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Наноткань - это, конечно, не массив "цельных" нанотрубок, а композит, состоящий из переплетенного "леса" многослойных нанотрубок длиной 245 мкм и диаметром 10 нм. Образец таких спутанных нанотрубок длиной всего 1 см может "развернуться" в трехметровую ленту 18-микронной толщины. Если же использовать пластиковый цилиндр в качестве валка, по которому протягивается лента, то исходный материал можно раскатать до длины 10 м. Оборудование ученых обеспечивало "разворачивание" леса до 1 м в минуту.

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.

Ученые признают, что создан 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 компания LiftPort получит шанс на сокращение срока постройки лифта.

Подъёмник

Космический лифт не может работать, как обычный лифт (с движущимися тросами), поскольку толщина его троса непостоянна. Большинство проектов предлагает использовать подъёмник, забирающийся вверх по неподвижному тросу, хотя предлагались также варианты использования небольших сегментированных подвижных тросов, протянутых вдоль основного троса.

Предлагаются различные способы конструкции подъёмников. На плоских тросах можно использовать пары роликов, держащихся за счёт силы трения. Другие варианты — движущиеся спицы с крючками на пластинах, ролики с выдвижными крючками, магнитная левитация (маловероятна, поскольку на тросе придётся закреплять громоздкие пути) и пр.

Серьёзная проблема конструкции подъёмника — источник энергии. Плотность хранения энергии вряд ли когда-либо будет достаточно велика, чтобы подъёмнику хватило энергии на подъем по всему кабелю. Возможные внешние источники энергии — лазерные или микроволновые лучи. Другие варианты — использование энергии торможения подъёмников, движущихся вниз; разница в температурах тропосферы; ионосферный разряд и т. д. Основной вариант (лучи энергии) обладает серьёзными проблемами, связанными с эффективностью и диссипацией тепла на обоих концах, хотя, если оптимистично относиться к будущим технологическим достижениям, он реализуем.

Подъёмники должны следовать на оптимальной дистанции друг за другом, чтобы минимизировать нагрузку на трос и его осцилляции и максимизировать пропускную способность. Самая ненадёжная область троса — вблизи его основания; там не должно находиться более одного подъёмника. Подъёмники, движущиеся только вверх, позволят увеличить пропускную способность, но не дадут использовать энергию торможения при движении вниз, а также не смогут возвращать людей на землю. Кроме того, компоненты таких подъёмников должны использоваться на орбите для других целей. В любом случае, маленькие подъёмники лучше больших, потому что расписание их движения будет гибче, но они накладывают больше технологических ограничений.

Вариант подъёмника на воздушных шарах более реальный. Решается вопрос с прочностными характеристиками тросов так как шары можно устанавливать через определённое расстояние по радиусу. Кроме того, подъёмную силу и радиус подъёма можно увеличить за счёт увеличения внутренней энергии в теплоносителе шара (скорее всего не воздушного). Встает задача теплоизоляции шара? Внутреннюю энергию в теплоносителе шара можно увеличивать на поверхности Земли.

Противовес

Противовес может быть создан двумя способами — путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант пользуется большей популярностью в последнее время, поскольку его легче осуществить, а кроме того, с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

Угловой момент, скорость и наклон

При движении подъёмника вверх лифт наклоняется на 1 градус, поскольку верхняя часть лифта движется вокруг Земли быстрее, чем нижняя (эффект Кориолиса).

Горизонтальная скорость каждого участка троса растет с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).

Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении (см. диаграмму) — за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину.

В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное горизонтальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадет.

К моменту достижения грузом ГСО его угловой момент (горизонтальная скорость) достаточна для вывода груза на орбиту. ри спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

Запуск в космос

На конце башни Пирсона (см. ниже) высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно для покидания гравитационного поля Земли и запуска кораблей к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части башни, его скорости хватит для покидания Солнечной системы. Это произойдет за счёт перехода суммарного углового момента башни (и Земли) в скорость запущенного объекта.

Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.

Экономика космического лифта

Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов может быть недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к большему разнообразию грузов. Таким же образом оправдывает себя прочая транспортная инфраструктура — шоссе и железные дороги.

Стоимость разработки лифта сравнима со стоимостью разработки космического челнока. Пока ещё нет ответа на вопрос, вернет ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.

Не следует забывать о лимите количества спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите: в настоящее время международными соглашениями допускается 360 спутников — один ретранслятор на угловой градус, во избежание помех при трансляции в полосе Ku-частот. Для C-частот число спутников ограничено 180.

Таким образом, космический лифт минимально пригоден для массовых запусков на геостационарную орбиту и максимально пригоден для освоения внешнего космоса и Луны в частности.

Данное обстоятельство объясняет настоящую коммерческую несостоятельность проекта, так как основные финансовые затраты негосударственных организаций ориентированы на спутники-ретрансляторы, занимающие либо геостационарную орбиту (телевидение, связь), либо более низкие орбиты (системы глобального позиционирования, наблюдения за природными ресурсами и т. п.).

1. МЕДИЦИНА

   1. Искусственные органы

Углеродные нанотрубки сегодня рассматриваются учеными и исследователями в качестве основы для электроники нового поколения, в разы более скоростной, нежели современная кремниевая. Этому поспособствуют уникальные свойства подобных наноструктур. Однако углеродные нанотрубки обладают еще и уникальными физико-механическими свойствами, что позволяет создавать на их основе прочнейшие соединения, которые к тому же являются и чрезвычайно легкими.

Одно из интереснейших применений прочности и легкости нанотрубок может стать изготовление на их основе искусственных мышц. В этом случае появляется возможность формирования структуры, более прочной, нежели сталь, очень легкой, и что не менее главное – более эластичной, нежели резина. Столь необычным применение углеродных нанотрубок заинтересовался директор института нанотехнологий (NanoTech Institute) при Техасском Университете Далласа (University of Texas at Dallas), Богман (Baughman). На первых порах исследователь рассматривал возможность создания искусственных мышц на основе полимерных материалов, но затем переключил свое внимание на углеродные нанотрубки.

На первом этапе своих исследований Богману удалось изготовить пучок с произвольным расположением волокон нанотрубок, после чего основной целью работы являлось получение более правильной структуры волокон. Последним достижением ученого стало создание мышечной структуры, изготовленной из пучка вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Что интересно, управление искусственными мышцами осуществляется при помощи электрических сигналов – точно также, как функционирует «живая» мышечная ткань. В данном случае используется свойство углеродных нанотрубок, при прохождении электрического тока, отталкиваться или притягиваться друг к другу, в зависимости от их структуры.

Что еще более удивительно, углеродные мышцы получились гораздо «сильнее» естественных. Так, обычная мышечная ткань может сокращаться на 10% в течение одной секунды. Мышцы на основе углеродных нанотрубок за тот же временной промежуток способны сокращаться на 40 000%. Впечатляет и диапазон рабочих температур: от температуры жидкого азота до температуры плавления железа – этот факт позволяет в будущем использовать подобные структуры в самых экстремальных условиях, в том числе и для исследования космоса, планет и их спутников.

Впрочем, только лишь созданием искусственных мышц применение волокон углеродных нанотрубок не ограничивается. На их основе становится возможным изготовление эффективных солнечных батарей – в данном случае будет использоваться на только возможность применения нанотрубок в качестве проводников, но их способность «сокращаться», меняя таким образом и форму самой батареи. Помимо этого на основе подобных структур возможно создание прочных конструкций с возможностью изменения их формы, искусственных конечностей и пр.

Новая технология, разработанная учеными, позволяет восстанавливать поврежденные нервные ткани спинного мозга, что буквально позволит встать на ноги людям, прикованным к инвалидному креслу. Созданное вещество, после ввода в спинномозговую ткань, формирует нановолоконную структуру, стимулирующую рост нервных клеток и обеспечивающую восстановление функционирования спинного мозга.

На данном этапе медицина не имеет технологии лечения людей с повреждениями спинного мозга. При механическом повреждении нервная ткань формирует рубец, блокирующий рост новых клеток. Способность спинного мозга к передаче биотоков из мозга и от тканей в мозг нарушается, что приводит к потере способности к движению, тактильным ощущениям.

Новейшая технология позволяет создать материал, который при введении в спинной мозг предотвращает появление рубцов и стимулирует рост нервной ткани. Этот жидкий материал, разработанный профессором Самуэлем Штуппом в Северо-Западном университете в Чикаго содержит молекулы, которые с помощью механизма самосборки превращаются в нановолокно, создающее нечто вроде каркаса для роста нервной ткани. По словам С.Штуппа, лечение данным веществом восстановило функционирование задних ног у парализованных лабораторных мышей. Подобные опыты по восстановлению парализованных конечностей делались и ранее, но тогда ученые проводили эксперименты по хирургической трансплантации тканей, тогда как новое вещество попадает в ткань путем обычной инъекции. Затем в течение от трех до восьми недель нановолокно распадается. По выражению коллеги С. Штуппа профессора Джона Кесслера, «это можно сравнить с перерубанием телефонного провода, а мы собирается нарастить нервную ткань и восстановить связь».

Исследователи использовали различные подходы для регенерирования нервной ткани. Использовались различные материалы, такие как коллаген, а также синтетические полимеры, способные разлагаться под действием микроорганизмов для образования каркаса для роста нервной ткани. Все они требовали хирургической имплантации.

Характеристики

Список файлов книги