Проблемы орбитальных путешествий и их решения

Запуск космического корабля, тем более пилотируемого космического корабля или космической станции,— комплексная задача, состоящая из огромного количества маленьких проблем. Например, что надо сделать, чтобы раскаленные газы не расплавили сопла двигателя? Как бороться с бактериями, которые «съедают» электропроводку? Как обезопасить космодром от ядовитых следов топлива? На эти вопросы, поставленные космической программой России, ответили ученые ИФХЭ РАН.

Материалы для горячей зоны

Температура факела ракеты-носителя может превышать 3000 градусов. Немногие материалы способны оказать сопротивление таким тепловым нагрузкам. Известны лишь пять простых веществ, температура плавления которых превышает этот предел: тантал, рений, вольфрам, углерод (например, в виде графита) и осмий. Графит является самым легким веществом из указанных, и самым термостойким, поэтому в космическом корабле его используют как материал горячей зоны.

Проблема состоит в том, что при воздействии потоков продуктов сгорания топлива сопло ракетного двигателя испытывает не только тепловые, но и эрозионные нагрузки. Поэтому поверхность углеродного изделия должна быть защищена эрозионностойким покрытием.

В лаборатории гетерогенного синтеза тугоплавких соединений ИФХЭ РАН были разработаны методы нанесения вольфрамовых покрытий на внутренние поверхности вкладышей сопел ракетных двигателей. Вольфрам как самый тугоплавкий металл прекрасно справляется с термическими нагрузками, а присущая ему износостойкость защищает графит от разрушающего действия газовых потоков. Вольфрамовое покрытие наносят методом химического осаждения из газовой фазы из фторидных сред при сравнительно низких температурах (до 600 °С). Полученные таким способом вольфрамовые слои обладают низкой пористостью и повышенной твердостью. Другими методами нанесения покрытий такие свойства получить нельзя.

Также в лаборатории гетерогенного синтеза тугоплавких соединений ИФХЭ РАН опробованы подходы к созданию трубок из вольфрама. Их также получают при температурах существенно ниже точки плавления. Суть метода состоит в осаждении толстых слоев вольфрама на модельные подложки, например медные трубки, с последующим удалением подложек. Таким образом можно получать трубки практически любых типоразмеров и длин, а материал трубок обладает высокой прочностью и плотностью.

Вольфрамовые трубки могут быть использованы в перспективных ядерных реакторах.

Экология ракетного топлива

Ракетное топливо — несимметричный диметилгидразин — это не только источник энергии, толкающий вверх ракету-носитель, но также химически активное вещество, разрушающее все, с чем оно соприкасается, и источник смертельных ядов для живой природы.

В лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН решают целый комплекс экологических проблем, связанных с ракетным топливом.

Ракета-носитель отделяется от корабля на высоте 10–12 км. В момент отделения в первой ступени остается несколько тонн невыгоревшего ракетного топлива. После падения ступени топливо разливается по степи, занимая площадь не менее сотни квадратных метров. При соприкосновении с воздухом несимметричный диметилгидразин разлагается и образует несколько десятков еще более опасных и канцерогенных соединений. Чтобы не отравить токсичными веществами окрестности космодрома, для удаления пролива еще в советские времена использовался простой метод дезактивации: степь выжигали керосином. Нужный результат достигается, несимметричный диметилгидразин уничтожается, но на выжженной территории после такой «очистки» ничего не растет.

В лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии разрабатываются современные щадящие методы устранения последствий проливов. Для поглощения токсичных продуктов применяются различные сорбенты: в первую очередь угольные (самое дешевое сырье — это сажа) и шунгитовые. Шунгит — соединение кремния и углерода, сочетающее в себе сорбирующие свойства обоих материалов. Единственное в мире месторождение шунгита находится в Карелии. Чтобы из всех возможных продуктов окисления ракетного топлива поглощались только наиболее токсичные, в лаборатории производят модификацию сорбентов.

Ракетное топливо и его окислитель (кислород или тетраоксид азота) способны вызвать коррозию топливных баков, в которых они хранятся. Особенно опасна питтинговая коррозия сварных швов, быстро ведущая к разрушению емкости и проливу содержимого.

Сотрудники лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН ежегодно производят контроль состояния топливных баков для космодромов. При этом оценивается пригодность баков для дальнейшего использования и дается соответствующее разрешение. Распиленные на фрагменты топливные баки поступают в ИФХЭ РАН, и эти образцы исследуются методом масс-спектрометрии с поверхностной лазерной десорбцией / ионизацией. В результате удается выяснить, какие химические процессы протекают на стыке «поверхность бака — ракетное топливо», какие соединения воздействуют на поверхности баков и насколько сильно бак подвержен коррозии. Топливные баки оказались очень стойкими. За почти 40 лет мониторинга коррозия не превысила нескольких десятков микрон.

Для удобства космонавта

Великий подвиг Гагарина — это не только преодоление земного притяжения и колоссальный личный риск. Космонавт во время полета практикует постоянное самоограничение, и его ежедневные элементарные действия превращаются в сложные задачи.

В лаборатории структурообразования в дисперсных системах ИФХЭ РАН были созданы сорбирующие патроны для сбора биологических жидкостей для космических скафандров. В патронах используется ранее синтезированный в этой лаборатории материал — пористый поливинилформаль. Это материал с уникальными адсорбирующими свойствами и самым широким спектром применения был награжден серебряной медалью на выставке EUREKA в Брюсселе в 2000 году и медалью «Лауреат ВВЦ» в 1999 году.

Экология космической станции

С увеличением времени пребывания человека на орбите перед учеными встали вопросы экологической безопасности космических станций.

Для существования в космосе людям необходимо создавать и поддерживать на станции адекватную своим потребностям среду обитания. При этом человек неминуемо обеспечивает благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. Но на борту трудно надежно контролировать сложные процессы развития микробной биоты.

Космический корабль — герметически замкнутое пространство, проветривание которого невозможно. Находящиеся внутри него поверхности оборудования невозможно промывать. Все, что можно сделать,— это протирать их салфетками, слегка смоченными дезинфицирующим раствором.

На космической станции найдется немало уголков, где микробы будут хорошо развиваться. Там есть плохо вентилируемые помещения. В результате жизнедеятельности персонала и работы различного оборудования в изобилии накапливаются биоорганические соединения — любимая пища для микроорганизмов. Из-за перепада температур внешние стенки космического аппарата то разогреваются, то остывают, на них конденсируется влага. И при этом нет гравитации, следовательно, споры и бактерии, выросшие на поверхности и в трещинах, вольны разлетаться по всему кораблю.

Микромир космоса

На орбитальной станции «Мир» и в российском сегменте Международной космической станции (МКС) были обнаружены многочисленные микроорганизмы, способные вызывать коррозию и разрушать конструкционные материалы. Микробы формировали устойчивые ассоциации и биопленки на поверхностях внутри станции и вызывали биокоррозионные повреждения алюминиево-магниевых сплавов, которые применяются в космической технике. На станции «Мир» развитие микроорганизмов привело к таким серьезным повреждениям аппаратуры, что пришлось прекратить эксплуатацию станции, сжечь ее при торможении в атмосфере и затопить остатки в океане.

В лаборатории электронных и фотонных процессов в полимерных наноматериалах ИФХЭ РАН группа радиационно-химических методов исследования биологически активных соединений и создания функциональных нанокомпозитных материалов занималась синтезом пленочных носителей, содержащих наноразмерные частицы серебра. Наночастицы серебра способны подавлять рост микроорганизмов на поверхностях техногенного оборудования в гермозамкнутых объемах.

В последнем эксперименте наночастицы серебра были синтезированы в обратномицеллярных растворах. Для получения функциональных нанокомпозитов различные полимерные пленки (фторопласт, полиэтилентерефталат и др.) выдерживались для набухания в растворах стабильных наночастиц серебра. Эти растворы прозрачны и позволяют спектрофотометрическими методами контролировать процессы формирования наночастиц и их внедрение в прозрачные полимерные пленки. Полученные пленки продемонстрировали фунгицидную активность по отношению к Penicillium chrysogenum, выделенному в российском сегменте МКС. Испытания пленок проводились как в лабораториях, так и непосредственно в условиях полета космической станции. Поверхности оборудования, покрытые пленками с наночастицами серебра, не содержали микроорганизмов и не были затронуты биокоррозией.

Ранее такие полимерные пленки с наночастицами серебра, изготовленные в ИФХЭ РАН, были испытаны в Институте медико-биологических проблем РАН на фунгицидную активность против патогенных микробов со «скобов» с оборудования российского сегмента МКС. Полученные результаты позволили сделать вывод о присутствии на станции среди известных микроорганизмов также и микроорганизмов, носителями которых не могли быть ни российские, ни зарубежные космонавты. То есть о присутствии микроорганизмов-мутантов.

Стабильные наночастицы серебра, полученные в обратномицеллярных растворах, обладают высокой антибактериальной и фунгицидной активностью. Серебро взаимодействуют с пептидогликанами — белками, составляющими основу внешней мембраны бактерии. В результате взаимодействия с наночастицами серебра пептидогликаны больше не могут передавать кислород внутрь клетки, и она погибает. Мембрана клеток многоклеточных организмов не содержит пептидогликанов.

Ольга Макарова, пресс-служба ИФХЭ РАН