Чистота космических исследований - являются ли экологически чистыми?

Деятельность в области космических исследований - это, возможно, величайшее достижение человечества. Люди уже проехались по Луне и Марсу, познакомились с множеством других объектов Солнечной системы, вывели в космос мощные космические телескопы и тысяч спутников различного назначения. Это помогло узнать об истории Вселенной и задуматься о нашем месте в ней. Но вся эта колоссальная работа не проходит бесследно, она имеет свою цену - стремясь узнать о других мирах, мы можем нанести ущерб своему собственному. Сегодня при строительстве и запуске ракет используется масса вредных веществ, а в атмосферу выбрасывается большое количество парниковых газов. Многоразовые ракеты-носители - это важный шаг к тому, чтобы сделать полёты в космос более безопасными для природы, но нужно стараться и дальше развиваться в этом направлении. Сегодня вы узнаете о четырех перспективных технологиях, которые способны помочь в этом благородном деле.

[caption id="attachment_2648" align="aligncenter" width="639"] Запуск Falcon-9. NASA. SpaceX Falcon 9 rocket. Photo Credit: (NASA/Bill Ingalls)[/caption]
[caption id="attachment_2648" align="aligncenter" width="639"] Запуск Falcon-9. NASA. SpaceX Falcon 9 rocket. Photo Credit: (NASA/Bill Ingalls)[/caption]

АДНА

Экологическая составляющая космических исследований редко оказывается в поле зрения прессы и общественности, но она важна и очень интересна. Учёные и инженеры подходят к ней с разных сторон, но мы выделим только две основные области исследований. Прежде всего, это, конечно, горючее. Сегодня активно ведутся работы по созданию альтернативного самовоспламеняющегося топлива. Для его использования, как понятно из названия, не нужна искра и прочие "свечи" - оно загорается спонтанно, когда горючее встречается с окислителем.

Космонавтика в данный момент времени использует в основном различные вариации гидразина. Он поднимал на орбиту шаттлы и отправлял межпланетные станции к Марсу, то есть справляется со своей ролью великолепно. Беда в том, что он крайне токсичен и агрессивен. Исследователи давно ищут альтернативы и, похоже, близки к тому, чтобы найти что-то стоящее. Одной из них может стать соль, которая называется динитрамид аммония (АДНА). Нагреваясь, она распадается на азот, кислород и воду, то есть практически безвредна для экологии. Также она значительно менее опасна в обращении и использовании.

Проблема заключается в том, что динитрамид аммония - твердый и не так реактивен, как гидразин. Его можно растворить в метаноле или аммиаке, но даже в этом случае для воспламенения может потребоваться температура более 1600оС. Учёные ищут способы повысить спонтанность его возгорания, и в 2018 году один немецкий коллектив опубликовал обнадёживающий отчёт. Он искал катализатор - вещество, которое увеличивает площадь поверхности, доступной для реакции, и уменьшает количество тепла, необходимое для её начала. Ранее в этой роли выступали крошечные гранулы, сквозь которые прогонялось топливо, и это довольно эффективно работало. С их помощью можно снизить температуру воспламенения АДНА до 350оС. Но это все равно подразумевает предварительный разогрев смеси, то есть требует энергии и, что гораздо важнее, времени. Которого может не хватить, если нужно, допустим, переместить куда-нибудь космический корабль в случае опасной или нештатной ситуации.

Немецкие учёные подошли к решению задачи с другой стороны - они использовали 3D-печать. С её помощью они распечатали специально разработанную сотовую структуру, которую назвали монолитом. Это, по существу, керамический каркас, покрытый металлическим катализатором. Исследователям удалось многократно повысить площадь поверхности по сравнению с гранулами, что позволяет увеличить скорость и интенсивность реакции. "Монолиты" помогли снизить температуру воспламенения динитрамида аммония с 350 до 100 градусов по Цельсию, и это действительно замечательный прогресс! Но учёные постараются добиться того, чтобы реакция начиналась уже при комнатной температуре. Для этого, скорее всего, потребуется немного больше, чем просто придание катализатору причудливой формы, но, по всей видимости, создание "зелёного" топлива уже действительно не за горами.

МОКС

АДНА - это не единственное возможное решение данной задачи. Исследуется и другой вид топлива, который называется "металл-органические каркасные структуры". Это твердые полимеры, состоящие из сгруппированных ионов металлов и органических молекул, так называемых "лигандов". Обычно они стабильны и уже давно используются как катализаторы в разных отраслях промышленности. Однако у исследователей космической отрасли есть свои планы на них. Они пытаются понять, способны ли МОКС давать столько же энергии, сколько гидразин. Как оказалось - могут, после некоторых изменений.

[caption id="attachment_2649" align="aligncenter" width="744"] MOF-5 - Металл-органические каркасные структуры. Автор фото: Tony Boehle [Public domain][/caption]
[caption id="attachment_2649" align="aligncenter" width="744"] MOF-5 - Металл-органические каркасные структуры. Автор фото: Tony Boehle [Public domain][/caption]

Если в металл-органические структуры добавить винил или ацетилен, то прежде стабильное вещество становится крайне реактивным. При контакте с окислителем, например, азотной кислотой, они разрушаются, выделяя огромное количество тепла. В апреле 2019 года канадские ученые из Университета Макгилла сообщили, что добились воспламенения металл-органических каркасных структур при комнатной температуре. Некоторые из них начинали гореть всего через две миллисекунды после контакта с окислителем. Что довольно близко к мгновенному зажиганию. Однако до сей поры всё это тестировалось только в лабораторных условиях. Прежде, чем этот вид топлива попадёт в ракетные двигатели, нужно будет провести множество исследований и испытаний.

Сверхкритический СО2

Экологии нашей планеты могут навредить не только ракеты. Это способна сделать и та химия, которой обрабатывается отправляющаяся в космос техника. Всё то, что готовится вылететь за пределы земной атмосферы, должно быть стерильно чистым. Даже случайно оставленный отпечаток пальца может привести к некорректной работе сверхчувствительных приборов космических аппаратов. Также сегодня крайне старательно вычищают всякое микробное присутствие на борту тех кораблей, что отправляются исследовать другие небесные тела.

Сегодня для этой цели используются разнообразные химикаты - от крайне токсичного трихлорэтилена до различных спиртов. Часто эти растворители агрессивны. И они должны быть такими, чтобы иметь возможность удалять даже самые стойкие загрязнители. При этом, как понятно, они часто опасны для человека и окружающей среды. Как и в случае с ракетными двигателями, ученые ищут альтернативы. Одна из них - сверхкритический диоксид углерода. Углекислый газ в твердой и жидкой форме уже используется как очиститель, но в сверхкритическом состоянии он гораздо более эффективен. Он переходит в таковое при температуре выше 31 градуса по Цельсию и давлении более 7.3 мегапаскалей. Что это значит? Что он приобретает свойства как жидкости, так и газа.

Он проникает повсюду, как газ, но имеет плотность, как у жидкости. Это значит, что он способен обволочь пористые твердые материалы, растворив при этом небольшие, легкие молекулы. В 2014 году исследователи из НАСА установили, что сверхкритический диоксид углерода может удалять липкие смазки и очищать "нежные" поверхности внутри космических аппаратов с эффективностью до 90%. Для сравнения - наиболее распространенные растворители, применяемые сегодня, устраняют лишь 77% смазки. Углекислый газ хорош ещё и тем, что его можно брать прямо из атмосферы, не увеличивая количество парниковых газов, а уменьшая его!

Плазма

Последняя на сегодня и, наверное, самая футуристичная из исследований и разрабатываемых технологий – это очистка плазмой. Если подвергнуть газ воздействию мощного электрического поля, он начинает терять электроны, в результате чего образуется высокоэнергетическая смесь ионов и электронов. Эти частицы несут достаточно энергии, чтобы "атаковать" любые загрязнения. И если поместить какой-либо "грязный" предмет в плазменную камеру и обработать его, то выйдет он из неё стерильно чистым. Считается, что при этом очищаемый объект, хоть и подвергнется воздействию, но не должен как-либо пострадать.

[caption id="attachment_2650" align="aligncenter" width="640"] Плазма. Источник: https://www.flickr.com[/caption]
[caption id="attachment_2650" align="aligncenter" width="640"] Плазма. Источник: https://www.flickr.com[/caption]

Как и в предыдущем случае, это экологический чистый метод, так как после отключения электрического поля остаётся только нейтральный газ (водород или кислород), которым обрабатывалась поверхность. Обе технологии, кстати, уже применяются НАСА, в частности, в космическом центре Кеннеди. Однако пока они требуют специального оборудования и особых "контролируемых" условий для исследований, что делает эти процессы относительно дорогостоящими по сравнению с привычными методами.

Уникальность статьи проверена и зафиксирована на text.ru!

Вам интересно будет так же:

| Из чего состоит Луна и каков состав коры, мантии и ядра? |

| Обратная сторона Луны – какая она? |

| Чистая электроэнергия Луны – три способа получения |

Спасибо что Вы с нами и оставляете комментарии!

Оставайтесь с нами, оставляйте комментарии и свои пожелания.
Дальше ещё больше интересной информации. Подписывайтесь на канал, и Вы не пропустите интересные статьи и новости.
Делитесь с близкими, знакомым и ставьте лайки!

Источник статьи о экологической чистоте космических исследований!