Опять новость про «уникальную российскую разработку»? Понятен ваш скепсис, но тут случай особый. В «Росатоме» придумали, как из нефтяных отходов делать материал для космоса, которому плевать на перепады в 300 градусов.
Когда мы слышим очередную новость в духе «учёные разработали новый материал», большинство из нас зевает и скроллит ленту дальше. Ну, разработали и разработали, молодцы. Нам-то что с этого? Но в этот раз новинка интересная.
Короче, «Росатом» выкатил новый продукт — инновационное углеволокно. И это не просто очередное импортозамещение для галочки. Это штука, которая может нормально так помочь космической отрасли.
Космос на диете
Для начала, минутка элементарной экономики. Запустить что-то на орбиту — это дико дорого. Прямо вот ОЧЕНЬ. Например, стоимость доставки 1 кг груза на МКС может доходить до 1.5 млн рублей.
Роскосмос
И каждый грамм конструкции ракеты или спутника — это грамм, отнятый у полезной нагрузки: у научного оборудования, у топлива для дальних манёвров или у ещё одного спутника связи.
Поэтому главная битва в ракетостроении уже много лет идёт за вес. Инженеры ищут материалы, которые были бы лёгкими, как пластик, но прочными, как сталь. Именно поэтому углепластик — он же карбон — может быть весьма полезен.
Это тот самый материал, из которого делают болиды «Формулы-1», элитные велосипеды и дорогие спиннинги. Если говорить простым языком, его делают так: берут тончайшие нити из чистого углерода (в 10 раз тоньше волоса), сплетают их в ткань, пропитывают специальной смолой и запекают.
Rockstar Games / GTA: San Andreas
Получается деталь невероятной прочности и лёгкости. Однако технологии постоянно совершенствуются, вот и «Росатом» создал свою версию этого материала.
Из грязи в космос
Так в чём же фишка новой разработки? Если раньше для производства качественного углеволокна требовалось дорогое и специфическое сырьё (например, полиакрилонитрил или вискоза), то наши учёные пошли другим путём. Они научились делать этот материал из того, что, по сути, является отходами.
Основа нового волокна — так называемые пеки. Это просто остатки, которые получаются после переработки нефти и коксования угля. Раньше эти остатки шли на всякие битумы, а теперь из него научились делать углеволокно.
Пеки
neftegaz.ru
Сначала этот пек тщательно чистят: убирают из него всю шелуху, сажу и летучие вещества. Получается полуфабрикат — изотропный пек. Из него уже можно тянуть вполне приличное углеволокно, которое уже устойчиво к перепадам температур и может заменить некоторые существующие типы волокон.
Но для космоса нужно что-то получше. Поэтому учёные берут этот очищенный пек и подвергают его ещё более жёсткой обработке: греют под давлением в особых условиях. В результате внутри пека образуется особая жидкокристаллическая структура — мезофаза.
Процесс получения волокна из жидкокристаллических пеков: а — изотропный расплав; б — жидкокристаллическая (мезоморфная) фаза; в — ориентированное волокно
Ю.С. Первушин, В.С. Жернаков
И вот из этого мезофазного пека уже вытягивают нити и стабилизируют, чтобы не расплавилось при дальнейшей обработке. После нити подвергают карбонизации — нагревают в бескислородной среде — так остаётся почти чистый углерод.
Ну и наконец, графитация. Материал обрабатывают при температурах до 2500–3000 °C, при которой атомы углерода окончательно выстраиваются в почти идеальную решетку, как в алмазе или монокристалле графита. Именно эта идеальная структура и даёт космические свойства.
Росатом
Что это даёт
А вот тут начинается самое интересное — это прямой путь к конструкциям нового поколения.
Мы проводим опытные и научные работы, направленные на получение высокомодульных углеродных волокон на основе изотропных и мезофазных пеков, имеющих уникальные в сравнении с другими видами углеродных волокон показатели по целому ряду важнейших эксплуатационных свойств. Это позволит создать конструкции, устойчивые к воздействию экстремально высоких температур, а также конструкции, работающие в условиях термоциклирования.
Артур Гареев
заместитель директора по науке и инновациям Химико-технологического кластера «Росатома»
Материал практически не деформируется под нагрузкой. Это значит, что из него можно делать огромные, но при этом ажурные и лёгкие конструкции, и они не будут гулять и вибрировать.
Ещё у этого волокна почти нулевой коэффициент термического расширения (если проще: ему плевать на перепады температур). А в космосе перепады огромные: одна сторона аппарата греется на солнце до +150°С, а другая, в тени, замерзает до -150°С. В таких условиях обычные материалы постоянно коробит: они то расширяются, то сжимаются.
ferra.ru
Допустим, мы хотим сделать гигантский телескоп или антенну. Обычный материал от такого перепада скрутило бы в бараний рог. Да даже если каркас от перепада температур поведёт хотя бы на долю миллиметра, фокус собьётся, и вместо чёткого снимка далёкой галактики или стабильного сигнала вы получите мыло и вечную загрузку.
А углеволокно сохранит свою форму с микронной точностью.
Ну и напоследок — у волокна высочайшая теплопроводность. Оно работает как сверхэффективный радиатор. Это позволяет отводить лишнее тепло от греющейся электроники спутника или жилого модуля станции и рассеивать его в космос. Меньше перегревов — дольше и надёжнее работает аппарат.
Росатом
Поэтому из нового углеволокна можно (по словам разработчиков) создавать, например, гигантские орбитальные конструкции размером до 200 метров. Это могут быть огромные зеркала-рефлекторы для телескопов или антенны для связи с дальними миссиями, например, на Марсе.
И помните же про вес? Ракеты становятся легче, а значит, могут выводить на орбиту больше полезной нагрузки. Это, в свою очередь, позволяет запускать больше спутников, хороших и разных.
А способность материала отлично отводить тепло делает его идеальным для радиаторов космических станций и межпланетных кораблей, чья электроника не должна перегреваться в многолетнем полёте.
Росатом
Ну и эдакий бонус — технологический суверенитет. Теперь у России есть своя технология для создания критически важных компонентов.
А где подвох?
Разумеется, путь к звёздам усыпан не только розами.
Как сказал Артур Гареев, сейчас «проводятся опытные и научные работы». Это язык науки, который означает, что «мы создали технологию в лаборатории и получили крутые образцы». Одно дело — получить образец в лаборатории, и совсем другое — наладить завод, который будет выдавать это волокно тоннами.
Росатом
К тому же, путь от лабораторной катушки с ниткой до детали в ракете «Ангара» — это годы тестов, сертификации и согласований. Ну и сама технология, которая превращает отходы в хай-тек, звучит дёшево только на словах.
Многоступенчатая очистка, нагрев под давлением в инертной среде — всё это дико энергозатратно и сложно. Скорее всего, на старте материал будет «золотым», и его экономическая выгода проявится не сразу.
И не стоит забывать, что мы не одни в этой гонке: японские, американские и европейские компании — монстры на этом рынке, и они не сидят на месте. Подобные материалы (high-modulus pitch-based carbon fiber) уже производятся и используются, в том числе и в аэрокосмической отрасли.
Например, есть Toray Industries — химическая корпорация, которая производит карбон для разных нужд. По данным на март 2022 года, глобальная мощность производства углеродного волокна составляла 57 770 тонн… а ведь ещё есть Toho Tenax и Mitsubishi Chemical Co., — и это всё только в Японии
apparelresources.com
Так что здесь речь идёт не столько о том, что мы «изобрели велосипед», сколько о создании собственной, суверенной технологии. И это, на самом деле, даже важнее.
В условиях, когда тебе могут в любой момент перекрыть доступ к импортным компонентам, иметь своё производство критически важных материалов — это вопрос национальной безопасности в космосе.
В итоге
Так что пока что паковать чемоданы на Марс рановато. Но то, что в России появилась технология, способная стать основой для космических аппаратов нового поколения, — это весьма и весьма неплохо.
Такие разработки — это не про догнать и перегнать. Это фундамент, на котором в будущем (надеюсь) будут строить большие телескопы, межпланетные корабли и орбитальные заводы.
ferra.ru
И тот факт, что один из таких ключевых материалов научились делать у нас, да ещё и из побочных продуктов промышленности, — это мощный задел на будущее.
Ведь космос начинается не с двигателей (хотя и с них тоже), а с материалов, способных пережить его безумные перепады, вакуум и радиацию. Ведь главное — захотеть, а технологии сделают всё остальное.
Такие дела.
