Проектная работа «Автоматические системы для космоса»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №2 им. А.А. Араканцева г. Семикаракорска»


Содержание:


Введение..
3

1 История возникновения нанотехнологий...
4

2 Нанотехнологии для космоса
6

3 Мои предложения
12

Список литературы.........................................
13

Введение.
В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее.
Цель работы:

- выяснить применение нанотехнологий для космоса;

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, нанометр - одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов. Точное определение нанотехнологий звучит так: нанотехнологии – это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией). Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Для обозначения средства эффективного манипулирования атомами было введено понятие ассемблера – молекулярной наномашины, которая может построить любую молекулярную структуру. Пример природного ассемблера – рибосома, синтезирующая белок в живых организмах. Очевидно, нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками. Можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.
Уже сегодня мы можем пользоваться преимуществами и новыми возможностями  нано технологий в:
медицине, в том числе авиационно-космической;
фармакологии;
гериатрии;
защите здоровья нации в условиях нарастающего экологического кризиса и техногенных катастроф;
глобальных вычислительных сетях и информационных коммуникациях на новых физических принципах;
системах сверхдальней связи;
автомобильной, тракторной и авиационной технике;
безопасности дорожного движения;
системах информационной безопасности;
решении экологических проблем мегаполисов;
сельском хозяйстве;
решении проблем питьевого водоснабжения и очистки сточных вод;
принципиально новых системах навигации;
возобновление природных минеральных и углеводородных сырьевых ресурсов.
Я решила остановиться на применении нанотехнологии в космосе, так как эта область вызвала наибольший интерес.





История возникновения нанотехнологий.
Наука «Нанотехнология» возникла из-за революционных изменений в информатике!
В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. Термин «нанотехнология» в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Название происходит от слова «нанометр» - одна миллиардная часть метра (10-9м).
В современном звучании нанотехнологии - это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи, объединяющие все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами.
У современной нанотехнологии достаточно глубокий исторический след. Археологические находки свидетельствуют о существовании коллоидных рецептур еще в античном мире например, "китайские чернила" в Древнем Египте. Знаменитая Дамасская сталь, изготавливалась благодаря наличию в ней нанотрубок.
Отцом идеи нанотехнологии условно можно считать греческого философа Демокрита приблизительно в 400 г.д.н. эры он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.
Вот примерный путь развития:
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1934 год. Американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер теоретически обосновал возможность создания ультрадисперсного металла с достаточно малым числом электронов проводимости.
1951 год. Джон фон Нейман выделил принципы самокопирующихся машин, ученые в целом подтверждали их возможность.
В 1953 году Ватсон и Крик описали структуру ДНК, которая показала, как живые объекты передают инструкции, которые руководят их постройкой.
1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации. Нобелевский лауреат Р. Фейнман написал фразу, воспринимаемую сейчас как пророчество: "Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами". Эта мысль прозвучала тогда, когда начало постиндустриальной эпохи ещё не было осознано; в эти годы не было ни интегральных схем, ни микропроцессоров, ни персональных компьютеров.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает примерно "старичок".
1981 год. Глейтер впервые обратил внимание на возможность создания уникальных по свойствам материалов, структура которых представлена кристаллитами наноразмерного интервала.
27 марта 1981 года новости радио CBS процитировали ученого, работающего в NASA, который сказал, что инженеры будут способны строить самовоспроизводящихся роботов в пределах двадцати лет, для использования в космосе или на Земле. Эти машины строили бы копии себя, и копиям можно было бы делать предписания создавать полезные продукты.
1982 год Г. Бининг и Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп.
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский ученый Эрик Дрекслер опубликовал книгу "Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1995 год. В Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я. Карпова разработали на основе пленочного нанокомпозита датчик, выявляющий различные вещества в атмосфере (аммиак, спирт, водяной пар).
1997 год. Ричард Е.Смоли, Лауреат Нобелевской премии 1996 г. в области химии, профессор химии и физики предсказал сборку атомов уже к 2000 г. и к этому же времени спрогнозировал появление первых коммерческих наноизделий. Этот прогноз оправдался в предсказанный срок.
1998 год. были экспериментально подтверждены зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нано-технологий.
1998 год. Темпы развития нанотехники стали резко нарастать. Япония определила нанотехнологию как вероятную технологическую категорию 21-го века.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что от-дельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
2000 год. Исследовательская группа фирмы "Хьюлетт-Паккард" создала с помощью новейших нанотехнологических методов самосборки молекулу-переключатель или минимикродиод.
2000 год. Начало эры гибридной наноэлектроники.
2002 год. С. Деккер объединил нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2003 год. Японские ученые стали первыми в мире, кому удалось создать твер-дотельное устройство, в котором реализован один из двух основных элементов, необходимых для создания квантового компьютера. 2004 года. Был презентован "первый в мире" квантовый компьютер
7 сентября 2006 года Правительство Российской Федерации одобрило концепцию Федеральной целевой программы развития нанотехнологий на 2007-2010 годы.
Таким образом, сформировавшись исторически, к настоящему моменту, нанотехнология, завоевав теоретическую область общественного сознания продолжает проникновение в его обыденный пласт.
Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). Уже сейчас в нанотехнологии получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.). Например, при переходе к нанометровому диапазону (т. е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.

Нанотехнологии в космосе 
Благодаря нанотехнологиямстали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.
Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.
Ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.
Сегодня космос это не экзотика, и освоение его не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).
Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. С помощью нанотехнологии можно создать не только что-то микроскопическое, невидимое для человеческого глаза.
Сейчас разрабатывается проект, привлекший внимание со стороны ученых и широкой общественности. Речь идет о так называемом космическом лифте. Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана. Идее космического подъемника более века. Первым о нем заговорил в 1895 году великий русский ученый Константин Циолковский, основоположник современной космонавтики.
Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом, исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили создать космический лифт. Ученые полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности. По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяющий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли. Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю вверх и вниз, перенося спутники, которые нужно вывести на орбиту. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры. Ученые предлагают разместить наземную базу космического лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно, что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бывает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту. В освоении космоса начнется новая эра!
Естественно, что после ознакомления с этим проектом возникает ряд сомнительных вопросов.
Что случится, если порвется лента?
Начнем с того, что спроектированная лента будет вдвое жестче, чем это необходимо. Погодные условия в месте, выбранном для расположения космического лифта, будут исключать возможность ураганов и молний. Скорее всего, станция лифта будет расположена в океане.
Но все же, что произойдет, если лента порвется?
Большая часть ленты улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в океан. Не загрязнит ли лента и ее не сгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета. Посторонний наблюдатель увидит, скорее всего, только яркую полоску через все небо (от сгоревшей ленты) и все. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с вылетят в открытый космос.
Будут ли влиять на лифт неблагоприятные погодные условия?
Будет ли ветер на больших высотах проблемой? Математическое моделирование показало, что предложенная в конструкции лифта лента разорвется при скорости 72 м/с, т.е. при 5-бальном ветре, или урагане. Предложенное расположение лифта (на платформе в океане) не будет находиться в зоне сильных ветров и ураганов.
Будет ли лента производить электрический ток из-за разности потенциалов? Будет ли лента длиной 100000 км представляет собой электрическую угрозу?
В этой проблеме есть несколько аспектов. Электрический ток по ленте космического лифта может течь только благодаря: 1) электрическим свойствам земной атмосферы; 2) перекачивании через лифт космической плазмы; 3) постоянном пересечении лифтом магнитных полей Земли.
1) Атмосфера Земли содержит регионы разного заряда, которые все время находятся в движении. Они могут дать разность потенциалов, но только на малых дистанциях. Когда идет гроза и перемещение зарядов затрагивает большие дистанции, есть возможность того, что молния повредит ленту лифта, но как было сказано выше, конструкторы постараются так выбрать место расположения базовой станции, чтобы исключить возможность грозы. Базовая станция будет расположена на корабле, поэтому лифт будет обладать «мобильностью» и сможет, при необходимости, передвинуться, избегая шторма.
2) Заряды, связанные с космической плазмой, могут собираться на верхней станции лифта. Но ток, провоцируемый ими, настолько мал, что не сравним с током, полученным от присоединения к противоположным концам ленты обычной батарейки. Малое количество зарядов позволяет не учитывать эту опасность.
3) При пересечении магнитных полей проводником в нем производится электрический ток. В нашем случае лента неподвижна по отношению к магнитному полю Земли, и электрический ток, производимый в ленте, будет очень мал, поэтому этой опасностью тоже можно пренебречь. В современных телевышках электрический ток, производимый магнитными полями земли, практически отсутствует.
Будут ли различные объекты задевать ленту?
Будет ли космический мусор и спутники проблемой? Космические объекты, находящиеся на низкой орбите Земли, будут составлять серьезную проблему. Для того, чтобы лифт не сталкивался с различными объектами, будет предусмотрена система активного избегания препятствий. В среднем необходимо будет избегать различных объектов один раз в 14 часов. Для построения системы отклонения необходимо разработать систему трассирования объектов, работающую с точностью до 1 сантиметра.
Существует несколько концепций построения космического лифта. В некоторых предлагается свободный конец ленты присоединять к астероиду. Этим решается проблема противовеса и добыча с астероида полезных ископаемых. Некоторые проекты предлагают протянуть кабель толщиной от 10 до 30 метров в диаметре.
Причем тут нанотехнологии?
Правда, если бы не быстрое развитие нанотехнологий и открытие нанотрубок, концепция космического лифта не продвинулась бы дальше научной фантастики. Надо сказать, что идее космического лифта уже больше ста лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский. Основоположник современной космонавтики предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства «башни» она была слишком тяжела.
Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз. Теоретически, они в 3–5 раз прочнее, чем надо для постройки лифта.







Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью.



Самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, длиной всего несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря о 100 000 километрах.Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 000 км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность разрыва, как и длинные.
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.
Но это 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 появится шанс на сокращение срока постройки лифта.

Мои предложения:

Для ленты космического лифта я считаю можно было бы использовать алмазоид .
  Алмазоид - Алмазоподобная структура, построенная из атомов углерода методами механосинтеза, имеющая прочность и химическую инертность алмаза. Алмазоид будет использоваться в качестве основного материала при построении нанороботов.
В настоящее время один из способов получения алмазов является метод активированной газовой фазы (химический синтез) при давлениях вблизи и ниже атмосферного и температурах от 300 до 1600°С. Активируется реакция методом высокотемпературного химического транспорта системе графит-водород-алмаз. Атомарный водород реагирует с водородом, расположенным на поверхности затравочного алмаза, образуя молекулярный водород Н 2 , оставляя активные места для будущей реакции присоединения димера углерода СС (для этого используют молекулы CH 2 и CH 3 ).
         Но для получения алмазоида с помощью МНТ и наноробототехники, нужно каждый раз удалять атомы водорода на их место ставить димер углерода CC . Но для этого требуются определенные инструменты.
         На сегодняшнее время сканирующие электронные микроскопы могут использоваться для создания химических ковалентных связей , при этом полученная структура не будет самопроизвольно деформироваться даже присутствии возле нее одного или двух атомов-реагентов. Но этого не достаточно для эффективного способа получения и массового производства алмазоидных материалов.




Список литературы
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]









13 PAGE \* MERGEFORMAT 14015









2015 год










Проектная работа

«Автоматические системы для космоса»



Выполнила: Гераськина Виктория 9 «а» класс
Руководитель учитель физики: Маркина Н.Г.




Приложенные файлы

  • doc file9
    Размер файла: 643 kB Загрузок: 10