Спутник размером с микроволновку, школьники с паяльниками и золото, которое помнит каждый удар — такой вот проект «Нанозонд-1». И да, это снова про нанотехнологии.
27 июня 2023 года Россия запустила спутник, который не смотрит в дальний космос, а водит острой иглой по золотой пластинке. Зачем?
Чтобы ответить на два вопроса: почему спутники ломаются, даже если их никто не трогает? И сколько в космосе пыли?
Космическая пыль — это мельчайшие (от нескольких нанометров до сотен микрометров) частицы твёрдого вещества, рассеянные в космосе
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Спустя полтора года «Нанозонд-1» дал первые ответы — и они могут удивить.
Что такое «Нанозонд-1»
Итак, «Нанозонд-1» — это сверхмаленький российский спутник-лаборатория, который несёт на борту уникальный сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000С.
Пресс-служба Департамента инвестиционной и промышленной политики города Москвы
Внутри — игла с алмазным наконечником в 1 нанометр. Микроскоп «ощупывает» поверхность образца и строит трёхмерную карту рельефа с точностью до атомного уровня.
При этом прибор питается от солнечных батарей — кушает всего 0,1 Ватта (ваша зарядка для телефона мощнее в 50 раз). А ещё он выдерживает пятикратные перегрузки при старте.
МИЭТ
Минус у такого девайса тоже есть: без шуток, создать такое надёжное и маленькое устройство оказалось нелёгкой задачей, но российским учёным и инженерам из Московского института электронной техники (МИЭТ) и «Протона» это удалось.
Университеты и школьники
«Нанозонд-1» — это коллаборация НИУ МИЭТ (Москва), завода «Протон» (Зеленоград) и Орловского госуниверситета имени Тургенева. Разработка микроскопа и спутника началась примерно в 2021 году.
Учёные и инженеры провели множество испытаний и прототипирований: приборы настраивались в лабораториях, моделировались цифровые копии, отрабатывались алгоритмы работы.
Пресс-служба Департамента инвестиционной и промышленной политики города Москвы
Но главное — к проекту присоединились школьники из «Сириуса» и «Больших вызовов» по всей России. При этом они не просто писали отчёты — они паяли антенны, тестировали графен и даже собирали систему аварийной сигнализации для спутника.
Например, чтобы ловить данные с орбиты, нужно было создать антенну. Взрослые дали школьникам алюминиевые трубки, серебряную проволоку и сказали: «Разберитес». Ребята рассчитали параметры, согнули трубки в форме квадрифилярной антенны (эдакая спираль) и собрали три прототипа.
Такая вот антенна
Большие вызовы
Теперь эти антенны используют по всей России для приема спутниковых сигналов.
Символично, что вместе с «Нанозондом-1» на одном носителе вывели ещё 42 спутника (39 российских и 3 зарубежных). Такой «конвейер» показывает, насколько активно развивается космическое направление среди молодёжи и учёных.
А в 2024 году команда школьников на «Больших вызовах» конструировала прототипы: они собирали макет нового спутника «Нанозонд-А» и узлы следующей версии микроскопа (изготавливали детали на 3D‑принтере).
МИЭТ
Но только зачем вообще нужен микроскоп в космосе?
Почему он в космосе?
Главная задача «Нанозонда» — посмотреть в нано-мир прямо там, где на материал действуют всякие космические явления: солнечный ветер, радиация и мельчайшие метеоритные частички.
Раньше для всех экспериментов образец возвращали на Землю, где гоняли его по термокамерам и ускорителям. Но даже лучшие установки не воссоздают вакуум и невесомость одновременно — да даже шаги в коридоре лаборатории создают вибрации, которые мешают сканированию.
Большие вызовы
Теперь же микроскоп делает всё «на месте» и сразу шлёт снимки домой.
А ещё он в космосе для того, чтобы анализировать околоземную нанопыль и искать «чистые» орбиты, где мало мелких частиц. Так микроскоп помогает изучать состав мельчайших космических осколков и находить относительно безопасные «чистые» траектории вокруг Земли.
Крупног омусора на орбите достаточно, а что там с пылью?
ESA
Для этого у СММ-2000С есть золотое зеркало — такая ловушка для частиц. Если в него врежется микрометеорит или пылинка от космического мусора, микроскоп их увидит.
Что узнали за полтора года?
Изначально поверхность зеркала была почти идеально гладкой (шероховатость <1 нм), Спустя несколько недель после запуска получили первые изображения, и оказалось, что на высоте 500–550 км пыли — ноль. Ни метеоритной, ни от спутникового мусора. То есть космос чище, чем мы думали.
Золотое зеркало, которое должно было стать ловушкой для частиц, осталось чистым, зато покрылось царапинами глубиной до 30 нм.
Кадр после четырёх месяцев воздействия открытого космоса на высотах около 500 км. Царапины от ионов солнечного ветра на поверхности гладкого зеркала напоминают ущелья в горном массиве. А вот частиц пыли нет.
МИЭТ
Учёные объясняют это действием солнечного ветра быстрых ионов солнечного ветра (потока заряженных частиц от Солнца), который и выбил царапины на наномасштабе.
Это первый опыт, когда мы буквально вживую наблюдаем, как космос «точит» материалы. То есть как защитить аппараты на высоте 550 км теперь ясно — можно не бояться пыли, но вот ионной эрозии уже стоит.
Солнечный ветер может даже «сдувать» атмосферу планет. Предполагается, что с Марсом такое и происходит — ведь у него нет такого магнитного поля, как у Земли
NASA
Эти данные помогут учёным понять, насколько быстро разрушаются покрытия спутников и других конструкций при постоянной бомбардировке частицами от Солнца.
И что дальше?
А дальше — работа на Земле и в космосе. Обработать нужно много всего, потому что благодаря «Нанозонду-1» можно будет создать новые сверхпрочные материалы и сплавы.
Кроме того, понимание того, где там в космосе летает мусор, — критично для безопасности: микроскоп уже подтвердил, что даже наночастицы серьёзно царапают аппараты. С такими знаниями мы сможем проектировать спутники с лучшей защитой и прокладывать «чистые» маршруты.
ferra.ru
В итоге эти исследования вернутся на Землю в виде более надёжной космической техники, что затронет и телекоммуникации, и метеорологию, и прочие отрасли.
Ну а сам проект продолжится и будет набирать обороты. Уже разрабатываются усовершенствованные версии: новые спутники «Нанозонд-А» с атомно-силовым микроскопом СММ-2000А. Этот микроскоп станет первым в мире подобным прибором, способным работать в автономном режиме.
Учёные планируют сильно расширить площадь сканирования (в миллионы раз — вплоть до 40/40 мм с нынешних 10/10 мкм) и внедрить ещё более чувствительные «алмазные» иглы для зондирования поверхности.
Тем более, что «Нанозонд-1» уже окупился. Затраты — 6,3 млн рублей за два года. Аналогичные исследования на Земле (в реакторах и ускорителях) стоят куда больше — до 800 млн.
Школьники с наставниками:ведущим конструктором завода «Протон» Борисом Логиновым (по центру слева) и методистом направления «Нантохенологии» ОЦ «Сириус» Юрием Хрипуновым (по центру слева)
Сириус
На рентабельность проекта повлияло и то, что команда использовала готовую спутниковую платформу от компании «Спутникс», а микроскоп СММ-2000С — модификация земных моделей, которые завод «Протон» выпускает уже 30 лет.
А, ну и ещё школьники и студенты работали бесплатно (в рамках образовательных программ).
Сам же спутник сгорит в атмосфере в 2026 году. Но до этого он ещё успеет проверить, что происходит с материалами при входе в плотные слои — будет жарко.
Большие вызовы
В общем, пока кто-то громко спорит о миллиардах на марсианские миссии, российские инженеры и подростки доказали, что открытия можно делать с бюджетом меньше, чем стоимость квартиры в Москве.
Такие дела.