Космические технологии в быту. Четыре космических технологии, которые изменят нашу жизнь в ближайшем будущем Современные космические технологии

Александр Владимирович Фролов

Новые космические технологии

Существует только один истинный закон – тот, который помогает стать свободным.

Ричард Бах

«Чайка по имени Джонатан Ливингстон»

Предисловие

Движение – это изменение места положения объекта, процесс, происходящий как в пространстве, так и во времени. Мы существуем в движении, благодаря тому, что находимся на поверхности планеты, летящей в космосе вокруг Солнца, и вместе с ним в Галактике. С другой стороны, каждая частица вещества материальных объектов является эфиродинамическим процессом, более или менее устойчивым вихревым потоком эфирной среды. Таким образом, в реальном мире нет ничего неподвижного, все объекты находятся в движении. Мы замечаем движение, как изменение места положения, или другое изменение параметров процесса существования материи. Процесс движения не может останавливаться до тех пор, пока материя существует. С данной точки зрения, мы будем рассматривать способы создания движущей силы, действующей на тело, не забывая о том, что все материальные объекты состоят из микрочастиц, и находятся на поверхности нашей планеты. Говоря о перемещении тел, необходимо понимать, что при этом, так или иначе, приходит в движение комплекс частиц материи, существующий при определенных условиях.

Практическое применение процесса движения состоит в том, чтобы перемещать объект, например, пассажиров и груз, из одной точки пространства в другую, по возможности, с минимальными затратами времени. Процесс движения, обычно, происходит с некоторой скоростью, но, как любое другое явление, имеет два «предельных случая»: в одном из них, тело мгновенно меняет местоположение в пространстве, а во втором, тело мгновенно меняет свое положение на оси времени. Первый случай относится к телепортации, а второй – к перемещениям во времени, без изменения положения в пространстве. Мы рассмотрим различные направления развития технологий перемещения в пространстве и времени, включая и эти два предельных случая.

Обычные способы перемещения нам хорошо известны, основной из них – реактивный. Пешеход отталкивается от опоры ногами, автомобиль отталкивается от опоры при вращении колеса, и при этом, опора отталкивается назад, а транспорт получает реактивный импульс, и движется вперед. Лодка может приводиться в движение веслами, водометом или винтом, отталкивая назад воду, создавая реактивный эффект. При таком способе, строго выполняется закон сохранения импульса, который всем нам хорошо знаком: в результате реактивного взаимодействия, каждое из тел получает одинаковый импульс, который равен произведению массы и скорости, для каждого из двух взаимодействующих тел. Ракетные движители, винтовые или турбореактивные самолеты, и другая техника работает в точном соответствии с данным законом сохранения импульса.

Ускорение летательного аппарата, например, ракеты, зависит от того, как много, и с какой скоростью, топливо будет выбрасываться через сопло ракеты во внешнюю среду. Отметим, что, для создания движущей силы, любой реактивный аппарат тратит энергию, чтобы придать ускоренное движение реактивной массе. При этом, выбрасываемое во внешнюю среду топливо увеличивает кинетическую энергию молекул среды, в конечном итоге, увеличивая температуру окружающей среды, нагревая ее. В таком случае, можно сказать, что увеличение тепловой энергии, кинетической энергии молекул окружающей среды, эквивалентно увеличению кинетической энергии летательного аппарата, или другого движущегося тела, использующего реактивный принцип. В этом проявляется закон сохранения импульса и энергии.

Существуют другие, давно известные методы, похожие на реактивный принцип. Эти методы также работают в строгом соответствии с законом сохранения импульса, но в обратном направлении, а именно, за счет уменьшения тепловой энергии окружающей среды. Например, парусник приводится в движение не так, как лодка или катер: он тормозит движущийся поток среды (воздух) своим парусом, что изменяет (уменьшает) кинетическую энергию потока частиц окружающей среды, для того, чтобы увеличить скорость (кинетическую энергию) парусника.

Поскольку термин «реактивный» означает «противодействующий», то принцип, противоположный реактивному, можно называть «активным», то есть «действующим». В реактивных движителях, сила, действующая на транспортное средство, создается, как реакция на увеличение энергии окружающей среды. Реактивные движители требуют источник энергии, для своей работы. В активных движителях, действующая сила создается за счет поглощения энергии окружающее среды. Благодаря этому свойству, активные движители могут служить источниками энергии, при своей работе.

В главе о нанотехнологиях мы рассмотрим метод, позволяющий создать движущую силу без затрат топлива, за счет специального рельефа поверхности наноматериала, обеспечивающего отбор кинетической энергии молекул воздуха, или другой окружающей среды. Данный материал назван «силовой активный материал». Наличие ветра, в данном случае, не имеет значения, так как при масштабах около 100 нанометров, можно сказать, что «ветер есть всегда». Молекулы воздуха, при обычном атмосферном давлении и комнатной температуре, хаотически двигаются со скоростью 500 метров в секунду, но каждая из них движется прямолинейно, без столкновений, только на небольших участках своей траектории, длиной примерно 50 – 100 нанометров. Это движение можно использовать, создав, с помощью современных нанотехнологий, специальный упорядоченный рельеф поверхности.

Итак, известные нам принципы создания движущей силы для ускорения транспортного средства работают за счет взаимодействия с окружающей средой, в соответствии с законами сохранения импульса и энергии, и другого не дано. Отдельно можно отметить, что выполнение данных законов не требует выброса реактивной массы за пределы корпуса транспортного средства, в том числе, и в ракетной и космической технике. Существуют известные технические решения, позволяющие получить реактивный макроимпульс, действующий на корпус транспортного средства, при выбросе сгораемого топлива из движителя в своеобразный «глушитель», находящийся внутри корпуса транспортного средства. В данном «глушителе», микроимпульсы частиц реактивной струи топлива теряют свою кинетическую энергию, и она переходит в окружающую среду в виде теплового излучения. При таком способе создания движущей силы, охлажденная рабочая реактивная масса вещества может быть возвращена в камеру сгорания, где она будет использоваться в новых циклах «нагрева – выброса – охлаждения – возврата».

Рассматривая движение в воздухе, в воде или на поверхности опоры (дороги), мы можем описать почти все известные нам конструкции движителей транспортных средств. Все они являются реактивными или активными движителями. Не являются исключением и так называемые инерциоиды – устройства, использующие для создания движущей силы свойство тел, которое мы обычно называем «инерциальной массой». В главе про инерциоиды, мы рассмотрим физический механизм возникновения инерции при ускоренном движении тел и варианты его практического использования, с точки зрения эфирной теории.

Отдельно от активных и реактивных методов, имеет смысл показать такие способы создания движущей (подъемной) силы, которые обусловлены градиентом давления среды. Перепад давления заставляет воздушный шар подниматься вверх. Теория воздухоплавания проста: окружающая среда имеет градиент плотности, а поскольку плотность среды внутри шара меньше, чем снаружи, то давление окружающей среды вытесняет шар вверх. Аналогично, сила Архимеда заставляет всплывать тела меньшей плотности, чем вода. Градиент давления в среде, в данных случаях, создает гравитационное поле планеты. По этой причине, эти силы действуют в вертикальном направлении.

Разность давления среды возникает также при относительном движении крыла, имеющего профиль Жуковского – Чаплыгина, и окружающей среды, что создает подъемную силу, действующую на крыло со стороны среды. Градиент давления среды работает похожим образом в известном «эффекте Магнуса», который будет рассмотрен в отдельной главе. Силы такой природы могут быть направлены в любую сторону, что выгодно отличает данный метод от методов воздухоплавания.

Физика, как и все естествознание, есть попытка изучить и понять каким образом устроен, то есть, создан, наш мир. В теологии много сказано о тройственной природе всего сущего. Используя метод аналогий между явлениями в трех физических средах, переходя от гидродинамики и аэродинамики к эфиродинамике, мы можем сохранять терминологию, и говорить об эфире разной температуры, разной плотности, которая обуславливает определенное статическое давление. Как и в газодинамике, в эфиродинамике удобно также использовать понятие о «динамическом давлении», которое также зависит от скорости потока. Полагая, что в эфиродинамике выполняется закон Бернулли о полном давлении, мы имеем возможность конструировать технические устройства – движители, работающие не в воздухе или воде, а в вакууме (эфирной среде). При таком подходе, от воздухоплавания мы можем перейти к эфироплавательным аппаратам.

Телескоп «Хаббл» и диагностика рака груди

Техника обработки изображения, разработанная для телескопа «Хаббл», сегодня помогает медикам раньше диагностировать рак груди. Она была создана перед полетом для обслуживания аппарата на орбите в 1993 году, чтобы улучшить качество размытых фотоснимков, однако теперь может применяться для поиска микроскопических уплотнений в ткани молочной железы на ранней стадии онкологических заболеваний. Сейчас технологию тестирует группа астрономов из Научного института космического телескопа (Space Telescope Science Institute) в Балтиморе и врачей из Университета Джонса Хопкинса и Медицинского центра Джорджтаунского университета в Вашингтоне. Если испытания пройдут успешно, очень скоро космические технологии оптимизации нечетких изображений можно будет найти в кабинетах маммографии.

Марсианская миссия Viking и прочные шины

Когда в конце 60-х NASA планировало запуск исследовательской миссии к Марсу, для аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2» были разработаны особые ультрапрочные шины. Ученые понимали, что автоматический космический аппарат не сможет совершить посадку на Красной планете, если будет оснащен обыкновенными колесами, и заключили контракт на производство шин с компанией Goodyear. Ее специалисты создали для марсианской миссии новый волокнистый материал, который был в пять раз прочнее стали. «Викинг-1» и «Викинг-2» успешно сели на Марсе и проработали значительно дольше срока, на который рассчитывали специалисты, а Goodyear внедрили разработку в коммерческие линейки своей продукции. Благодаря этому сегодня некоторые шины этой компании способны «пройти» на 16 000 км больше, чем их аналоги.

«Аполлон-11» и спортивные кроссовки

Лунные ботинки, разработанные для высадки американских космонавтов на Луну в 1969 году, являются «предками» современных кроссовок. Обувь участников лунной миссии была снабжена стельками, уменьшавшими давление на ступню, и «системой вентиляции». Сегодня эти технологии применяют компании-производители спортивных товаров. Тем не менее, 10 пар ботинок-первопроходцев так и остались на Луне: вместо них на борт взяли грунт и камни. Сегодня они все еще могут оставаться там. Если обувь цела, металлические пряжки и замки, скорее всего, выглядят так же, как в день высадки: на Луне нет кислорода, а значит, окисления не происходит. Однако силиконовые стельки и синтетическая ткань должны были истончиться из-за процессов газовыделения. Если кто-нибудь дотронется до космических ботинок, они, вероятно, рассыплются в пыль.

МКС и «липучка»

Текстильные застежки, которые также называют «липучками» и велкро, были изобретены в 1948 году и запатентованы в 1955. Впервые пользоваться ими начали космонавты, аквалангисты и горнолыжники. Лишь затем велкро проникли в текстильную промышленность и стали доступны обычным покупателям. Сегодня в российском сегменте Международной космической станции «липучки» используются для крепления мелких предметов к стенам модулей изнутри. Внутренняя поверхность отсеков здесь оклеена мягким материалом с микропетлями, а инструменты, канцелярские принадлежности и другие предметы снабжены полосками материала с микрокрючками. Если прижать такой карандаш к панели на стене, он прилипнет. Полоски материала с микропетлями есть и на одежде космонавтов: ведь из карманов в условиях невесомости все попросту «уплывает».

Модели ракетных двигателей и пересадка сердца

Технологии, разработанные NASA для моделирования течения жидкостей в ракетных двигателях, помогли американским медикам разработать миниатюрный сердечный насос, или бивентрикулярное вспомогательное устройство. Пациентам, которые ждут пересадки сердца, оно зачастую бывает жизненно необходимо. Такие аппараты способны поддерживать кровообращение даже в случаях, когда сердце работает очень плохо. Это позволяет создать «промежуточный этап трансплантации» и дает пациентам возможность дождаться появления подходящего донора.

Новый прибор имеет размер 2,5 на 7,5 см и весит всего 113 г: в 10 раз меньше, чем другие современные устройства вспомогательного кровообращения. Благодаря этому в 95% случаев инфекций, связанных с использованием подобных аппаратов, удается избежать. При этом сердечный насос может до восьми часов работать от аккумуляторов, предоставляя пациентам возможность заниматься обычными делами каждый день.

Космическая система очистки воды и небьющиеся очки

История очков с ударопрочными линзами, которые сегодня может купить в любом магазине оптики, началась в 1972 году. Тогда Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) обязало производителей очков перейти на пластик, который невозможно разбить. Однако у нового материала существовал один минус: на нем быстро появлялись царапины. Решить эту проблему помогло открытие Теда Уайдевена - специалиста Научно-исследовательского центра им. Эймса NASA, который работал над системами очистки воды на космических кораблях. Уайдевен разработал технологию нанесения тонкой пластиковой пленки на поверхность фильтра для воды с помощью электрических разрядов, пропущенных сквозь пары органических соединений. Постепенно ноу-хау усовершенствовали и начали использовать для нанесения защитного покрытия на прозрачные забрала космических шлемов и другие пластиковые поверхности. В 1983 году компании Foster-Grant удалось получить у NASA лицензию на использование технологии в производстве оптики, и она попала в коммерческую сферу.

В 2017 году исполняется 60 лет с начала практического освоения космического пространства человеком. За эффектными стартами космических кораблей стоят высокие технологии и смелые инженерные решения, которые делают возможными всё более далёкие и длительные космические экспедиции. Готовятся пилотируемые полёты на Луну и Марс, а автоматические станции уже достигли пределов Солнечной системы. О некоторых передовых космических разработках читателям РИА "Новости" рассказывает фотолента.

Фотолента подготовлена при поддержке Национального исследовательского технологического университета "МИСиС".

© РИА Новости Успешное освоение космоса невозможно без надежных космических кораблей. В России разрабатывается пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК) «Федерация». На борту «Федерации» могут достаточно комфортно разместиться до шести членов экипажа.

1 из 11

Успешное освоение космоса невозможно без надежных космических кораблей. В России разрабатывается пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК) «Федерация». На борту «Федерации» могут достаточно комфортно разместиться до шести членов экипажа.

На эффективность работы космонавтов значительно влияет правильная организация пространства. В обитаемом отсеке «Федерации», помимо систем управления, имеются кухонный блок, медицинский пункт, туалет и помещение для уединения. Дизайн и эргономика интерьера ПТК «Федерация» созданы в Инжиниринговом центре прототипирования высокой сложности НИТУ «МИСиС».

2 из 11

Новый корабль получит новые полетные кресла из углепластика. Впервые в российской космонавтике предусмотрена регулировка размеров, что позволяет подогнать кресло под космонавта любого роста. Таким образом, кресла становятся многоразовыми и их больше не нужно отливать отдельно под каждого члена экипажа.

3 из 11

© НИТУ "МИСиС", Сергей Гнусков В космической технике используются самые современные материалы. Один из них – гибридное металл-органическое соединение – перовскит. Перовскиты могут применяться в гибких солнечных батареях, светодиодах, лазерах, мониторах и фотодекторах высокой чувствительности. Ряд ученых даже предсказывает в ближайшее время «перовскитовую революцию», которая кардинально изменит многие технологии.

4 из 11

В космической технике используются самые современные материалы. Один из них – гибридное металл-органическое соединение – перовскит. Перовскиты могут применяться в гибких солнечных батареях, светодиодах, лазерах, мониторах и фотодекторах высокой чувствительности. Ряд ученых даже предсказывает в ближайшее время «перовскитовую революцию», которая кардинально изменит многие технологии.

© РИА Новости В космосе нет «станций подзарядки», поэтому для дальних экспедиций необходимы источники энергии, способные без замены и обслуживания работать десятки лет. На фото бетавольтаический преобразователь («ядерная батарейка») – источник электроэнергии, получаемой за счет преобразования энергии распада радиоактивных материалов.

6 из 11

В космосе нет «станций подзарядки», поэтому для дальних экспедиций необходимы источники энергии, способные без замены и обслуживания работать десятки лет. На фото бетавольтаический преобразователь («ядерная батарейка») – источник электроэнергии, получаемой за счет преобразования энергии распада радиоактивных материалов.

© РИА Новости В различных устройствах корабля – от двигателей до систем навигации – необходимы мощные и эффективные источники магнитного поля. Такими источниками являются постоянные магниты на основе редкоземельных магнитотвердых материалов. Они способны работать при экстремальных температурах открытого космоса (от – 180 до +150 градусов Цельсия).

В мире в последние годы стремительно развивается космическая отрасль. Несмотря на многие проблемы, человечество вкладывает каждый год много средств на изучение космоса. Стран, которые это делают можно посчитать по пальцам. Большая доля приходится на американский «NASA».

Рассмотрим основные технологии будущего в космической отрасли:

Ученые «NASA» интенсивно работают над будущими технологиями, которые позволят человечеству быстро и дешево исследовать космос. Агентство выбрало в 2017 году восемь предложений по будущим космическим технологиям, которые специалисты смогут использовать в ближайшие годы.

В рамках программы II фазы «NASA», определенно все предложения смогут получить двухлетнее финансирование в размере 500 000 долларов США. Средства будут использованы для подготовки концепции и ее представления для агентства.

1. Подходы к созданию в космосе растущей среды обитания

Идея создания вращающегося модуля корпуса, который будет генерировать собственную гравитацию и обеспечивать защиту от космических лучей. Такая станция может быть расширена по мере необходимости в космическом пространстве. Такие интересные концепции наблюдались во многих научно-фантастических фильмах.

2. Продвижение местообитаний человечества на Марс

Это проект Джона Брэдфорса из Spaceworks Engineering. Предполагается создание передовой жилой системы и транспортировку людей на Марс. Система доставит экипаж в оцепенении, то есть в состоянии пониженной температуры и активности.

Эта инновационная концепция релятивистского движения. Его авторы знают о том, что его реализация будет проблематичной, но в то же время они утверждают об этой возможности. Благодаря этому корабль сможет достичь скорости, необходимой для межзвездного путешествия.

4. Разработка плазменного привода

Еще один интересный проект, касающийся строительства нового космического привода. На этот раз это будет плазменный привод, предназначенный для небольшого транспортного средства, свободно перемещающегося в космосе.

5. Демонстрация полета новой спутниковой системы

Предполагает использование двух сверхлегких самолетов, соединенных тонким кабелем. Самолеты, использующие солнечную энергию и ветер, высоко поднимающиеся в атмосфере, могут оставаться в воздухе в течение очень долгого времени. Инструменты, выполняющие различные задачи, от общения до научных исследований, будут размещаться на их бортах. По словам создателей, такое решение будет альтернативой спутникам, а также намного дешевле, чем они.

6. Аэродромный захват магнитосферных ядер для пилотируемых полетов и планетарные глубинные орбитальные системы

Эта система будет использовать дипольное магнитное поле, содержащее намагниченную плазму. В результате взаимодействия с атмосферой планет такое поле будет тормозить посадочный носитель, делая этот маневр намного безопаснее. Эта технология также позволяет замедлить работу автомобиля без нагрева, поскольку он будет защищен плазмой. Магнитный барьер, защищающий транспортное средство, может достигать диаметра 100 метров.

7. Криогенная поверхность

Представляет собой специальное покрытие толщиной 10 миллиметров, которое отражает более 99,9 процента солнечной радиации. Если его разместить на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца и от Земли, внутри такой оболочки будет постоянная температура ниже 50 Кельвинов.

Таким образом, можно легко транспортировать, например, жидкий кислород на Марс. Благодаря этому колонизация планеты станет намного проще.

8. Дальнейшая разработка апертуры, точного чрезвычайно большого отражательного телескопа.

Это проект, созданный для больших телескопов. В последние годы зеркала таких устройств должны были чрезвычайно точно быть установлены на Земле. В сложенном виде они должны были вписаться в багажное отделение, а затем развернуты уже в космосе, что является сложной и рискованной операцией.

Благодаря этому проекту будут созданы зеркала, подобные диафрагме, что означает, что они будут занимать много места, чтобы их можно было переносить на большую орбиту. Эти конструкции уже были бы идеально сформированы в пространстве.

Космические туманности

Startram — магнитный поезд для отправки грузов на орбиту. Постройка подобной системы будет стоить в районе 20 миллиардов долларов, но должна окупиться сверхдешёвой ценой доставки грузов на орбиту — 40$ за килограмм (сейчас — 11$ тыс. за килограмм). Startram основан на уже испытанной концепции магнитной левитации и будет перемещаться по вертикальной трубе длиной в 20 км.

«Автостопщик комет» — аппарат, в данный момент разрабатываемый НАСА для исследования астероидов и комет. На них нелегко приземлиться из-за малой массы и слабой гравитации, но «Автостопщик» будет вооружён системой гарпунов, которая теоретически позволит ему с лёгкостью цепляться за небольшие небесные объекты, используя затем их кинетическую энергию для новых прыжков.

Солнечный зонд Solar Probe Plus будет запущен в 2018 году. Для защиты от жара его снабдили 12-сантиметровым углепластиковым щитом. После семилетней раскрутки вокруг Венеры, зонд отправится к Солнцу, на расстояние в 6 миллионов километров, что в десять раз ближе, чем орбита Меркурия. До этого к светилу удавалось приблизиться лишь на 43 млн. км. с помощью «Гелиоса 2».

Аванпост на Марсе не за горами, и скорее всего он будет устроен солиднее, чем в «Марсианине». К 2030 году на красной планете планируется развернуть зону в 100 км, в которую будут входить жилые помещения и научные постройки. Со временем на Марсе возможно будет выращивать еду и добывать воду.

ATHLETE — шестиногий вездеход, разрабатываемый НАСА для исследования других планет. Благодаря большому количеству конечностей он будет способен передвигаться по любым поверхностям, транспортируя грузы и модули построек. В условиях земной гравитации ATHLETE способен поднять 400 кг и перемещаться со скоростью 2 км/ч.

Марсианские дома, отпечатанные на 3D-принтере — одна из идей для грядущей колонизации красной планеты. НАСА проводило конкурс на лучший дом, созданный из «подручных материалов» Марса. Первый приз взяла команда с проектом психоделического «Ледяного дома», также были варианты жилищ из песка и грунта.

Оккультер для коронографов (телескопов для наблюдения за солнечной короной) размером с бейсбольный мяч совсем недавно был представлен НАСА. Оккультер — устройство для блокирования света звёзд, в телескопах он обычно плоский. Сферический объект должен дать более чёткую картину, снизив уровень «солнечного шума».

Две технологии «перенаправления астероидов» от компании Honeybee Robotics сейчас находятся в активной разработке. Первая — «космический дробовик», стреляет в астероиды дробью и откалывает от них куски, чтобы определить их прочность. Вторая — система бурения Nano Drill, размером всего лишь со смартфон, предназначена для взятия образцов породы.

SPS-ALPHA — теоретическая конструкция на орбите Солнца, состоящая из десятков тысяч миниатюрных зеркал. Его задачей будет собирать солнечную энергию, конвертировать в микроволновый луч, а затем поставлять на Землю. Эта задумка открывает невероятные возможности, но её воплощение сопряжено с массой проблем и вряд ли планируется в ближайшем будущем.

Проект «Objective Europa» — один из самых амбициозных и безумных среди всех исследовательских миссий. Он предполагает высадку астронавтов на спутник Юпитера, Европу, в субмарине для исследования подлёдного океана. Чего он не предполагает, так это их возвращения назад. Проект спонсирует датский учёный Кристиан фон Бенгстон, разрабатывающий также множество других космических программ.

Какие-то идеи уже стали реальностью, другие ожидают своего выхода в ближайшие годы, третьи, возможно, произойдут уже в иную эпоху. Мечта о космическом будущем требует чудовищных ресурсов и жертв — но будем честны, её воплощение того стоит.