Корабли NASA спасут нанотехнологии

«Когда я начинал в NASA 18 лет назад», — пишет Мейа Мейаппан, ведущий ученый-исследователь NASA, — «моей основной задачей было понять различные потребности агентства с критической точки зрения, чтобы оценить пробелы в технологиях и выяснить, как их можно было бы заполнить. После разговора со многими ветеранами и инженерами NASA и прочтения многочисленных отчетов, я  пришел к удивительным выводам: NASA запускает невероятно дорогую программу! Каждый фунт, поднятый на орбиту Земли (в том числе и астронавты) обходится в 10 000 долларов, а каждый фунт, отправленный к далекой планете — 100 000 долларов.

Просить астронавтов сбросить пару фунтов, наверное, не лучший способ решить эту проблему, да и в целом мало поможет, если учесть размеры, объем и вес остальной части полезного груза, который включает в себя компьютеры, инструменты, датчики и остальные системы поддержки. Тем не менее миниатюризация того, что находится на борту, есть ключ к экономии средств, поскольку предметы становятся меньше, а качество их работы ничуть не страдает. Увеличить функциональность на единицу веса — цель каждой миссии и двигатель миниатюризации».

Как вы знаете, куда бы NASA не отправила свои корабли, на другом конце нет сервис-центров, которые могли бы их обслужить. Каждый аппарат должен вырабатывать свою энергию, чаще всего с помощью солнца, и использовать ее с умом. Выходит, все полезное оборудование должно быть эргономичным. Если решения будут приниматься автономно на корабле, а не в центре управления полетами в Хьюстоне, в процессе миссии нужны мощные компьютеры, но в то же время они не должны превышать ноутбук по размерам. Компьютеры и все электронные компоненты на борту должны быть устойчивыми к радиации, а также к экстремальным перепадам температуры.

К счастью, во всех этих сценариях можно использовать нанотехнологии для разработки архитектуры, устройств, материалов и систем в наномасштабах, легких и крошечных. Однако конечному объекту совсем не обязательно быть наноразмерным.

Новые наноматериалы вроде углеродных нанотрубок и графена, а также их элементы и составляющие могут быть сформированы в виде одномерных нанопроводов и наночастиц, что позволит разработать наноматериалы, применимые везде: в компьютерной технике, электронике, энергетике, окружающей среде, здоровье и медицине. И конечно же, в транспортировке и космических технологиях.

Развивающиеся технологии помогут NASA во многих отношениях. В процессе освоения космоса часто возникает необходимость измерить газ или пар, чтобы обнаружить возможные утечки топлива в космическом аппарате, оценить качество воздуха, атмосферы планеты, либо обнаружить водяной пар на Марсе. Традиционный подход в этом случае оказывается громоздким и неудобным. Химические датчики, сделанные из наноматериалов, представляются идеальной альтернативой, поскольку они могут быть миниатюрными — размером с почтовую марку — и потреблять минимум энергии. Форма таких сенсорных систем может быть любой, от липкого датчика на стене космического аппарата до сверла, которое будет проникать в породу или почву. Сотни датчиков можно разбросать по всей планете, соединив между собой.

Биосенсоры также важны в космических миссиях: они используются для контроля качества воды, обеспечивают регулярные проверки здоровья астронавтам и могут обнаружить жизнь на других планетах. Нынешняя практика в основном опирается на забор проб почвы и воды, крови и мочи, и удерживания их в замороженном состоянии до возвращения домой, в результате чего лабораторный анализ проводится достаточно поздно. Лаборатория-на-чипе была бы идеальным решением. И здесь нанотехнологии с их компактностью, эргономичностью и чувствительностью показывают хорошие результаты.

Есть масса других примеров преимущества использования нанотехнологий в NASA, особенно в областях генерации и накопления энергии. Термоэлектрические устройства могут вырабатывать энергию, используя разницу температур на двух концах устройства. Пьезоэлектрические устройства могут производить энергию из вибрации и других движений. Оба вида обеспечивают высокую эффективность для преобразования энергии.

Суперконденсаторы будущего, которые используют материалы вроде углеродных нанотрубок, могут повысить эффективность роботов, роверов и других транспортных средств, которым нужна эффективная система реагирования. Возможно, будущий марсоход будет размером с корзинку, но с расширенной функциональностью. Только подумайте, какие возможности открылись бы перед исследователями планет и космоса в таком случае. Это вам не 30 000 долларов за килограмм.