Текст книги "Юный техник, 2013 № 01"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ! Пузырь Алькубьерре или труба Красникова?

Перемещаться в пространстве со сверхсветовой скоростью все же возможно. Только двигаться надо либо в своеобразном пузыре, где искривляется пространство время, либо в трубе-тоннеле, способном соединить разные точки окружающего нас мира. К такому выводу пришли недавно теоретики.

Еще в начале прошлого века знаменитый немецкий физик-теоретик Альберт Эйнштейн предположил, что окружающий нас мир имеет четыре измерения – длину, ширину, высоту и время. Он же вывел формулу, согласно которой перемещение в пространстве со скоростью больше световой (300 000 км/с) невозможно, поскольку для этого нужна бесконечно большая энергия, способная сдвинуть с места бесконечно большую массу.

Такое ограничение означало, что человечеству закрыт путь к другим звездам, и другие теоретики попытались его обойти. Одним из тех, кому такая хитрость, возможно, удалась, был мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре. В 1994 году он предложил свою концепцию «двигателя, искривляющего (деформирующего) пространство».

Согласно его выкладкам, при определенных условиях можно искривить часть пространства-времени, превратить его в пузырь, который движется быстрее света в так называемом пространстве Минковского. Оно названо так по имени еще одного теоретика XX века, Германа Минковского, работавшего в контакте с А.Эйнштейном. В 1908 году он придумал свой вариант описания пространства-времени с помощью формул.

Космический корабль в пузыре Алькубьерре сможет, по идее, доставить путешественника в пункт назначения быстрее света.

Так вот Мигель Алькубьерре предложил использовать для сверхсветового движения особый вид искривления пространства-времени. По его мнению, пространство плоско везде, кроме стенок некоторого пузыря, который движется быстрее света в пространстве Минковского.

Таким образом, пилот вместе со своим кораблем, находясь в центре подобного пузыря, может двигаться в некотором смысле быстрее света.

Наглядно представить себе эту картину можно, пожалуй, так. На вооружении флота России имеется торпеда «Шквал», способная двигаться со сверхзвуковой скоростью. Этого удалось достичь потому, что при своем движении с помощью особого устройства торпеда образует газовый пузырь, в котором и движется быстрее звука. Ведь газ примерно в 800 раз менее плотен, чем жидкость.

Правда, когда теоретики подсчитали, при каких условиях образуется пузырь Алькубьерре, оказалось, что для его создания и перемещения по Галактике потребуется больше массы, чем во всей Вселенной.

Другая проблема состоит в необходимости создания для такого двигателя областей пространства с отрицательной плотностью энергии, заполненных некой «экзотической материей». Но что это за материя? Теоретики над этим вопросом все еще размышляют.

В общем, хлопот с пузырем Алькубьерре получается весьма много. Поэтому в 1995 году наш соотечественник Сергей Красников предложил иной гипотетический механизм для сверхсветового движения. Он полагает, что двигаться надо в специально созданных туннелях.

Получающаяся структура аналогична «кротовым норам» или «червоточинам», но не требует изменения топологии пространства. Суть «червоточины» можно понять на таком наглядном примере. Червяк может попасть на противоположную сторону яблока двумя путями: либо проползти по поверхности, либо прогрызть ход напрямую через сердцевину яблока. Напрямую, понятно, путь короче…

Причем туннель-«червоточина», по мнению некоторых теоретиков, может пролегать и через иные, пока неведомые измерения.

Как проложить в нашем мире некие туннели, в которых будут созданы условия для сверхсветового движения, можно понять опять-таки при помощи аналогии. Поезда в обычных туннелях метро движутся со скоростями порядка 100 км/ч. А вот если откачать из туннеля воздух, то сверхскоростной поезд с помощью магнитной левитации сможет развить скорость и порядка 1000 км/ч!

Пока, правда, непонятно, как создавать туннели-трубы Красникова. Ну и особые условия внутри них. Но, если соответствующая технология будет разработана, то с ее помощью можно будет увеличить скорость движения в космосе до сверхсветовой.

Впрочем, не отвергнут окончательно и вариант с пузырем Алькубьерре. Правда, расчеты показывают: корабль-сфера диаметром около 200 м для образования вокруг себя сферического же пузыря, чтобы двигаться со скоростью, которая десятикратно превышает световую, должен потратить энергию, примерно эквивалентную массе Юпитера. (Массу, как известно, можно в принципе превратить в энергию, согласно формуле Эйнштейна Е=mс²).

Однако сотрудник НАСА Гарольд Уайт, возглавляющий лабораторию исследования продвинутых форм движения, недавно провел вычисления, которые могут заметно упростить практическое применение искривляющего пространство двигателя.

Дело в том, что традиционно наилучшей формой для корабля в пузыре Алькубьерре считалась сфера. Соответственно, то же самое относили и к пузырю. Но вспомните: скорость вытянутого дирижабля намного выше, чем у классического воздушного шара. Да и управлять им легче. Вот Уайт и предположил, что, изменив форму пузыря на сигарообразную и повысив толщину его стенок, можно резко снизить затрачиваемую энергию, сделав ее эквивалентной примерно одной тонне вещества, а для 10-метрового объекта – и вовсе 500 кг.

На рисунке показана схема трубы Красникова.

Заодно, как показали расчеты, такое изменение формы делает менее заметным и воздействие пузыря Алькубьерре на окружающее нормальное пространство-время при торможении; иначе в конце пути гипотетический путешественник просто разрушит все, имевшие несчастье оказаться поблизости планеты и даже звезды.

Свои расчеты Уайт и его коллеги из НАСА намерены проверить в лабораторных условиях. «Сейчас мы пытаемся понять, сможем ли мы в «настольном» эксперименте искривить пространство-время хотя бы на одну десятимиллионную долю», – говорит Гарольд Уайт.

Для регистрации такого достижения он и его коллеги хотят использовать экспериментальную установку, называемую ими «интерферометром Уайта – Джудэя для искривляющего поля» (White-Juday Warp Field Interferometer). Она представляет собой модифицированный интерферометр Майкельсона – Морли, однажды уже использовавшийся для определения изменения скорости света в зависимости от внешних условий. Предполагаемые эксперименты будут вестись в Космическом центре имени Линдона Джонсона.

Что из этого получится, мы обязательно расскажем в одном из будущих номеров журнала.

С. СЕРЕДИН

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ. Материалы XXI века

Камень, кирпич, древесина, металлы, пластмассы, композиты – вот, пожалуй, основные виды материалов, которыми пользуется человечество. Ныне в этот ряд технологи не прочь добавить еще нанотрубки, «твердый дым» и гидрогели. И вот почему.

Его назвали «аэрографит»…

Сеть пористых углеродистых трубок, которые по всему объему переплетены на нано– и микроуровне, – вот что представляет собой самый легкий материал в мире, пишет журнал Advanced Materials. Кубический сантиметр этого синтетического «войлока» весит всего 0,2 миллиграмма; он в 75 раз легче, чем пенопласт, и очень прочен. Ученые из Университета Киля и Гамбургского Технологического университета назвали свое коллективное творение «аэрографитом».

Этот пластичный материал черного цвета, проводящий электричество, удивляет даже своих создателей, которые продолжают исследовать его свойства. Профессор Лоренц Кинле и доктор Андрей Лотник, аспиранты Меттиас Мекленбург и Арним Шучардт расшифровали атомное строение материала при помощи просвечивающего электронного микроскопа и выяснили, что аэрографит еще очень эластичен. Он также хорошо выдерживает и сжатие, и растяжение. Его можно сжать до 95 %, и он вернется к своей первоначальной форме без каких-либо повреждений.

Команда из Киля, состоящая из Арнима Шучардта, Рейнера Аделанга, Йогнера Мишра и Сорена Капса, использовала оксид цинка в форме порошка. При нагреве до 900 °C он принимает кристаллизованную форму.

Из этого материала ученые сделали своего рода шар. В нем оксид цинка формирует микро– и наноструктуры, так называемые тетраподы. Они переплетаются и образуют устойчивую структуру из частиц, которые формируют пористую сферу.

Следующим шагом является помещение шара в реактор для химического парофазного осаждения, нагрев его до 760 градусов Цельсия. «В движущейся паровой атмосфере, которая обогащена углеродом, окись цинка покрывается слоем графита всего в несколько атомных слоев.

Так формируется сетевая структура аэрографита. Одновременно подается водород. Он вступает в реакцию с кислородом в окиси цинка и приводит к выделению водяного и цинкового газа». Остается характерным образом переплетенная, подобная трубке, углеродистая структура.

Благодаря своим уникальным особенностям, аэрографит может использоваться в качестве электродов литий-ионных аккумуляторов, что приведет к существенному снижению веса батареи. Еще одна возможность использования аэрографита – конструкционный материал в авиации и космонавтике. Он не только очень легкий, но и способен выдерживать сильные вибрации. Наконец, материал можно использовать в виде фильтров при очистке воды и воздуха.

«Твердый дым»

Еще одна версия аэрогеля, прозванная «твердым дымом», создана сотрудниками исследовательского центра NASA в Кливленде. Этот необычный материал не только один из самых легких в мире; он в 500 раз тверже, чем многие другие пластики и композиты.

«Изначально мы разрабатывали этот материал для космических скафандров, – отметила ведущая разработчик «твердого дыма» Мэри Энн Медор. – Но потом выяснилось, что этот материал можно использовать и при строительстве марсианских поселений, и в производстве холодильников, ТВ-антенн…

Новый аэрогель сделан на основе пластика, который высушивается в сверхкритических условиях для удаления всей влаги. После этого из него можно делать тонкие и гибкие листы или даже пленки. Новый материал можно использовать, например, для тормозных устройств NASA, сотрудники которого ныне работают над надувными парашютами, замедляющими космический корабль во время посадки и защищающими аппарат от высоких температур в результате трения при входе в атмосферу.

Эластичнее резины?

Многие полагают, что самый растяжимый на свете материал – известная всем резина. На самом деле это не так. На свете существует еще ряд материалов, которые куда ее эластичнее. Прежде всего, к таким материалам относятся гидрогели – материалы, твердые частицы которых равномерно распределены в объеме воды. Примером геля в быту может послужить обычный кисель.

Эластичность – отличительная черта практически всех гидрогелей. Именно это свойство материалов обуславливает их широкое применение в качестве материала для контактных линз. Более прочные виды гидрогелей используются, к примеру, для изготовления искусственных хрящей и сухожилий, заготовок для выращивания на них искусственных органов.

Однако ныне начали применять гидрогели не только в медицине, но и в технике. Так, недавно ученые создали еще один вид сложного гидрогеля, который обладает невероятной эластичностью; его практически невозможно повредить механическим воздействием.

Новый гидрогелевый материал разработан Жигэнг Суо, ученым-материаловедом из Гарвардского университета. В его основе лежат два полимерных материала – альгинат (alginate) и полиакриламид (polyacrylamide).

Ионные связи разрываемых молекул альгината позволяют равномерно распределить энергию воздействия на всю площадь и весь объем материала, это защищает от разрыва молекулы полиакриламида, которые обеспечивают эластичность гидрогелевого материала.

Такое взаимодействие двух компонентов приводит к тому, что гидрогель прочнее резины, может растягиваться в 20 раз относительно изначальной длины. Между тем каучук – самый эластичный материал естественного происхождения – может растянуться всего в 5–6 раз.

Кроме этого, гель обладает свойствами самовосстановления. Когда он теряет эластичность, достаточно нагреть его до 80 градусов Цельсия, чтобы изначальные свойства полностью восстановились.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ. Полировать не обязательно

Слова «красота» и «краска» имеют один и тот же корень. Однако современные краски, особенно те, к которым можно добавить приставку «нано», оказывается, способны не только навести красоту.

Что такое ЛПД?

На первый взгляд понятие «нанокраска», как и «наножидкость», кажется абсурдным. Ведь известно, что жидкости имеют молекулярную природу, а размер молекул редко превышает 1 нм. Но в действительности, когда ученые рассуждают о наножидкостях, а тем более о нанопокрытиях, то речь, как правило, идет о неких «ультрадисперсных системах с жидкой дисперсионной средой».

В переводе на наш обыденный язык это означает вот что. Если в одной жидкости «растворены» капли другой, то, в зависимости от размера капель, она носит название микро– или наноэмульсии, если же в ней равномерно распределены твердые наночастицы, то такую систему называют золем или коллоидным раствором наночастиц.

Ежедневно мы сталкиваемся со многими примерами наножидкостей. Возьмем хотя бы самый обычный чай или кофе, который вы, наверное, пьете по утрам. Если в чашку чая посветить лазерной указкой, то можно увидеть, как через объем жидкости проходит лазерный луч. Согласно эффекту Тиндаля в чае происходит рассеивание лазерного луча на частицах, содержащихся в растворе. В чашке с отфильтрованной чистой водой подобный эффект вы наблюдать не сможете.

Дело в том, что чай – это один из коллоидных растворов, которые содержат взвешенные в объеме растворителя твердые наночастицы, в общем случае, размером от 1 до 100 нм, на которых и происходит рассеяние луча лазера. Потому-то его и хорошо видно.

Так вот, к нанокраскам относят смеси, где в летучей, испаряющейся жидкости содержатся наночастицы с различными, порой весьма неожиданными свойствами. Так, например, в подмосковном Жуковском, где расположен ЦАГИ – Центральный гидродинамический институт, – были созданы краски, которые весьма облегчают испытания моделей самолетов в аэродинамических трубах.

Такие краски называются ЛПД – люминесцентные преобразователи давления, – рассказал начальник отдела новых авиационных технологий, кандидат технических наук Леонид Теперин. – Такая краска позволяет видеть значение давления на поверхности, поскольку она изменяет свой цвет под действием воздушной струи.

Этот способ сейчас запатентован и широко используется практически во всех авиационных центрах мира.

Суть же изобретения такова. Особые крупинки, которые на Западе называют сумной пылью», добавляют в краску, которой красят как модели, так и самые настоящие самолеты. И в каждом испытании, в каждом полете эти крупинки в зависимости от воздушного давления, температуры, деформации той или иной части конструкции выдают электромагнитные сигналы, которые фиксирует аппаратура. Таким образом, сразу можно получать огромное количество информации, в том числе и такой, что не может быть получена иным способом.

По примеру акулы

Еще одну разновидность нанокраски придумали германские изобретатели из города Бремена. Они создали краску, которая, по их мнению, позволяет серьезно сократить расход авиационного топлива. Пользу от этой краски можно получить и если наносить ее на морские суда, а также на ветрогенераторы.

Идея пришла к немецким исследователям, когда они наблюдали за тем, как быстро плавают акулы. Дело в том, что шершавая кожа акулы покрыта мельчайшими пластинками, которые улучшают обтекание и уменьшают ее коэффициент сопротивления.

Сам этот факт, конечно, не новость. Несколько лет назад военно-морской флот США заказал разработку покрытия для судов, оценив свойства акульей кожи.

Военные хотели улучшить ход кораблей и повысить их: маневренность.

Краска, которую предъявили миру немецкие ученые, содержит наночастицы. Общий принцип изобретения: можно понять, представив себе, например, поверхность, листа лотоса, испещренного микрошероховатостями, по которым без задержек стекает вода. Наночастицы в краске не только уменьшают сопротивление любого покрытого ею объекта воздушному потоку и гидрофобность (неспособность материала к смачиванию водой), но и противостоят ультрафиолетовой радиации.

При этом новая краска переносит перепады температур от -55 до +70 градусов Цельсия. Она безвредна для окружающей среды, не делает самолет тяжелее. Если: такой краской покрасить все самолеты в мире, то благодаря снижению аэродинамической сопротивляемости в год, по подсчетам ученых, будет сэкономлено около 4,48 млн. т топлива. А в случае если краску нанесут на суда, то каждый большой контейнеровоз в год израсходует на 2 тыс. т топлива меньше.

Термолюминесцентные краски наглядно демонстрируют распределение давлений на крыле самолета.

При помощи взрыва

Наши изобретатели ответили на разработки зарубежных исследователей созданием еще более уникального покрытия.

«Ныне в ЦАГИ разработана краска, которая может сделать летательный аппарат практически невидимым для радара, – сказал Леонид Теперин. – До сих пор малую радиозаметность летательным аппаратам пытались придать с помощью экзотических форм, которые снижают управляемость и летные качества аппарата.

Другой путь решения проблемы – создание многослойных покрытий, которые имеют определенную наноначинку, эффективно поглощающую излучение радара…»

Причем делается такое покрытие довольно экзотическим способом. ЦАГИ имеет много разных установок, на которых можно моделировать всевозможные процессы.

И вот на одном из стендов отработан метод генерации синтеза нанодисперсного углерода с помощью детонатационных волн.

Выглядит это примерно так. В трубу помещают углеродный порошок и подрывают заряд взрывчатки. При этом возникает ударная волна сжатия, при которой по трубе распространяются большие давления и температуры. В этих условиях и происходит превращение обычного углеродного порошка в наночастицы.

Вообще-то способ изготовления наночастиц с помощью ударной волны был известен и раньше. Но при этом в трубах происходило переотражение волн и много энергии расходовалось впустую, качество нанопорошка ухудшалось. Наши же специалисты создали установку, которая работает намного эффективнее.

Полученный наноуглерод и добавляют в краску, улучшающую обтекание самолетов и делающую их малозаметными для радаров.

В. ВЛАДИМИРОВ, С. СЕРГЕЕВ

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. «Как напечатать» дом?

Когда-то знаменитый скульптор Микеланджело на вопрос, как он создает свои скульптуры, ответил, что просто отсекает лишнее от глыбы мрамора.

Подобным образом действуют ныне и многие технологи. Они предлагают токарю или слесарю срезать с заготовки лишние слои металла и получить таким образом нужную деталь. Но природа ведь работает куда рациональнее. Она просто выращивает из атомов и молекул нужные органы, а затем и организмы. Ныне такой способ производства стараются освоить и технологи.

Началось все с того, что технологи начали изготовлять трехмерные эталоны для изготовления литьевых форм из специального пластика, твердеющего под воздействием света. Зальют такой пластик в некий сосуд с прозрачными стенками, и лазер, управляемый компьютером, слой за слоем отверждает пластмассу, получая какое-то изделие.

Со временем подобные системы стали быстро расти, с их помощью стали изготовлять предметы и объекты все больших размеров. Так, робот-манипулятор Stone Spray специально создавали как своеобразный трехмерный принтер, способный выращивать скульптуры и архитектурные элементы из почвы и песка. Его разработчики: Анна Кулик, Индер Шерджилл и Петр Новиков, хотели создать эффективную систему, способную изготавливать экологически чистые строения из подручных материалов, которые можно взять прямо на месте строительства. Технология работы Stone Spray весьма проста: по одной трубке в необходимую точку пространства подается сыпучий материал, а по второй – связывающий состав, в роли которого может выступить даже обычная вода. В результате работы этого принтера получаются формы, похожие на песчаные скульптуры, которые делают дети из песка на берегу водоема. Причем, если добавить в воду клей или цемент, то изделия получаются несравнимо прочнее детских поделок из песочницы.

Вообще-то такой процесс ближе к отливке. Но его чаще называют «печатанием». Быть может, потому, что движениями манипулятора управляет компьютер с соответствующим программным обеспечением, используемым в ЗD-печати. Это позволяет проектировщикам оперативно вмешиваться в работу устройства Stone Spray, изменять некоторые элементы «печатаемого» объекта прямо в ходе его производства.

Пока опытный образец принтера Stone Spray может «распечатывать» только небольшие предметы. Но такую технологию вполне можно использовать и для строительства более крупных объектов. Во всяком случае, именно для этого предназначена система Contour Crafting, разработанная исследователями из университета Южной Калифорнии. Она способна «напечатать» двухэтажный жилой дом менее чем за сутки.

Первые «печатные» конструкции выглядели не очень элегантно.

В основе системы Contour Crafting лежат все те же технологии трехмерной печати, реализованные в большом масштабе. Contour Crafting напоминает подъемный кран, нависающий над местом строительства. С помощью своей «печатающей головки» Contour Crafting выстраивает стены здания, выкладывая слои быстро застывающего бетона. При этом специальные приспособления позволяют системе одновременно выполнять монтаж трубопроводов для воды, газа, отопления и прокладывать электрическую проводку.

Модели разных вариантов «песчаного» принтера.

На макете показан 3D-принтер для строительства индивидуальных коттеджей.

По завершении работы системы Contour Crafting остается почти законченное здание. Дополнительные инструменты системы Contour Crafting позволяют покрасить внешние стены и уложить черепицу на крышу здания. Строителям остается лишь поставить окна, двери, оклеить стены обоями.

Профессор Бехрох Хошневис полагает, что использование систем типа Contour Crafting позволит быстро и качественно строить относительно дешевое жилье.

Особенно ценной система Contour Crafting будет для развивающихся стран и районов, претерпевших стихийные бедствия. Кроме того, полагает профессор, этот метод может пригодиться в лунных или марсианских условиях.