TEMA BROJA

Dr Vladica Božić

Nanotehnologija / Primena u raketnoj tehnici i kosmonautici

Dugotrajno, gotovo neprekidno pokretanje

Brz razvoj raketne tehnike је, u drugoj polovini 20. veka, stvorio osnovu za istraživanje svemira, što je dovelo i do značajnog industrijskog i naučnog napretka. Snažni pogonski motori kosmičkih letelica i danas, u osnovi, koriste istu tehnologiju za pogon kao i pre sedam decenija: hemijsku reakciju (čvrstih ili tečnih goriva i oksidatora) u raketnom motoru kojom se proizvode gasovi koji izlaze velikom brzinom kroz mlaznik i stvaraju ogroman potisak koji omogućava veliko ubrzanje i pogon letelica. Potisak koji stvaraju ovi veliki motori mora biti dovoljan da prevaziđe silu gravitacije i silu otpora pri prolasku kroz Zemljinu atmosferu, da bi omogućio podizanje korisnog tereta (npr. satelita ili ljudi) u i izvan Zemljine orbite.

Skoro u isto vreme sa početkom svemirskog doba,1959. godine, fizičar Ričard Fajnman je inspirisao naučnike i inženjere (među kojima je i Erik Deksler) za projektovanje i proizvodnju uređaja i sistema znatno manjih dimenzija (mikro i nano veličina) od postojećih, sposobnih za obavljanje složenih operacija. Tako je postavio osnovu za novu interdisciplinarnu naučnu oblast koja se naziva nanotehnologija. Nanotehnologija je rad sa materijom na atomskom, molekularnom i supermolekularnom nivou, odnosno rad sa strukturama koja imaju najmanje jednu dimenziju veličine od 1 do 100 nanometara. Nanotehnologija je vrlo široka oblast koja obuhvata sve vrste istraživanja i tehnologija koje se bave posebnim svojstvima materije koja se javljaju ispod datog praga dimenzije,jer na ovim dimenzijama prestaju da važe konvencionalni zakoni fizike. Zahvaljujući tome, primenom nanotehnologije, mogu se dobiti novi materijali i uređaji sa karakteristikama koje daleko prevazilaze one predviđene za standardne pristupe. Nanotehnologija je svojom pojavom i primenom značajno unapredila fundamentalna istraživanja u raznim oblastima među kojima je i raketna tehnika, pa je doprinela da se njen razvoj sagledava i usmerava na nov način. Koje su mogućnosti korišćenja nanotehnologije u nekim oblastima raketne tehnike i kosmonautike?

Poboljšanje konstrukcije i smanjenje mase letelica

U poslednjih dvadesetak godina, intenzivno se radi na razvoju nanokompozita, koji se sastoji od polimera ojačanih ugljeničnim nanocevima. Ugljenična nanocev ili ugljenična nanotuba je alotropska modifikacija ugljenika u obliku cilindrične nanostrukture, izrađena od grafena (dvodimenziona struktura odnosno ravan debljine jednog atoma ugljenika) uvijenog u bešavni cilindar čiji su krajevi zatvoreni kapama sfernog oblika. U zavisnosti od broja zidova, odnosno grafenskih ravni koje obrazuju koncentrične cevi, postoje dva oblika: kao jednoslojne i kao višeslojne strukture. Nanocev se može izraditi sa odnosom dužine prema prečniku i do 132.000.000:1, što je znatno veće od bilo kog drugog materijala, tako da ima veliku čvrstoću,a pri tome je lagana jer je male gustine. Te cilindrične strukture ugljenika imaju svojstva koja im omogućavaju raznovrsnu primenu u nanotehnologiji, elektronici, optici i drugim oblastima. Kombinacijom ugljeničnih nanocevi koje imaju visoku čvrstoću, ugljeničnih vlakana male gustine i laganih nanoporoznih polimera dobijaju se napredni kompozitni materijali visoke čvrstoće i izdržljivosti koji omogućavaju smanjenje težine konstrukcija raketa i svemirskih letelica.
Zamena konvencionalnih vazduhoplovnih materijala (kompozita i metala) naprednim kompozitima od izdržljivih nanoporoznih matrica i vlakana visoke čvrstoće i/ili krutosti i male gustine može da smanji težinu komponente vazduhoplova ili svemirske letelice za 30%. Pored vrhunskih mehaničkih svojstava, nanostrukturni materijali, u poređenju sa klasičnim kompozitnim materijalima, mogu imati i kombinaciju dobre električne i toplotne provodljivosti i elektronskih svojstava, što omogućuje razvoj laganih, multifunkcionalnih struktura koje omogućuju revolucionirarni dizajn novih vazduhoplovnih i raketnih sistema.

Zamenom teških bakarnih ožičenja, koja čine oko jedne trećine težine velikih satelita, sa kablovima za ožičenje od ugljeničnih nanocevčica male gustine može se ostvariti dodatna ušteda u težini. Nanoelektronski uređaji koji se zasnivaju na grafenu, ugljeničnim nanocevima, poluprovodničkim nanožicama, kvantnim tačkama/poluprovodičkim nanokristalima i šipkama suštinski su otporniji na zračenje i greške, imaju niže zahteve za napajanjem i veću brzinu od klasične poluprovodničke elektronike. Koriščenje nanoelektronike u instrumentima koji se koriste na satelitima dovešće do značajnog smanjenja težine satelita, pri čemu će instrumenti imati veću osetljivost i rezoluciju i smanjenu potrebu za napajanjem. Takođe, upotreba strukturalne aerogel izolacije umesto višeslojne izolacije za kriotankove kod motora sa tečnim raketnim gorivima može da eliminiše potrebu za spoljašnjom izolacijom od pene i pratećom parazitskom težinom i smanji troškove proizvodnje.
Primena ovih naprednih kompozita ima i svoja ograničenja. Tehnički izazovi koje je potrebno rešiti uključuju razvoj pouzdanih i jeftinih metoda za proizvodnju nanocevi, vlakana i nanokompozita u velikim količinama i sistematska ispitivanja sa kojima bi se utvrdila nastajanja mogućih oštećenja i razaranja, kao i životni vek ovih naprednih kompozita. Ovo bi omogućilo njihovu efikasnu upotrebu u budućim kosmičkim letelicama.

Poboljšanje osobina raketnih goriva i drugih izvora energije

Razvoj nanotehnologije je omogućio izradu ultrafinih čestica velike površine sa većom površinskom aktivnošću i reaktivnošću u odnosu na klasičan prah. U zavisnosti od njihove veličine i hrapavosti površine, nanočestice mogu imati površinu veću od 2000 m2/gramu, što je oko jedne trećine površine fudbalskog terena. Ova velika površina stvara visoku reaktivnost na površini i sposobnost apsorpcije velikih količina tečnosti ili gasova.Ova svojstva mogu značajno poboljšati performanse elektrohemijskih izvora energije (baterija i gorivnih ćelija), kao i poboljšati karakteristike tečnih i čvrstih raketnih goriva.
Upotreba nanoporoznih materijala i nanokompozita će omogućiti razvoj novih baterija koje mogu raditi u širokom temperaturnom opsegu, od -100 do 100 °C, koje bi mogle obezbediti pogon u svemiru za različite uređaje. Gorivna ćelija je, kao i baterija, elektrohemijski uređaj za proizvodnju električne energije iz energije koja se oslobađa hemijskom reakcijom. Ćelija je, za razliku od baterije, predviđena za kontinualan rad, tj. proizvodi električnu energiju zahvaljujući stalnom dovodu goriva i oksidacionog sredstva (najčešće, kombinacija je vodonik-kiseonik). Upotreba nanostrukturnih metalnih katalizatora u polimerno elektrolitsko-membranskim i alkalnim gorivnim ćelijama koje koriste čist vodonik može povećati njihovu energetsku gustinu za 50%.
Kod tečnih raketnih motora, često se kao pogonska materija (gorivo/oksidator) koristi kombinacija tečnog vodonika i kiseonika koja se nazivaju „kriogena” jer zahtevaju skladištenje na ekstremno niskim temperaturama da bi bili u tečnom stanju) - ili hidrazina (N2H4) i azot tetroksida (N2O4), koja se naziva „hipergolična”, jer se ove materije spontano upale pri međusobnom kontaktu. Takođe, postoje i rakete koje, kao gorivnu materiju, koriste kerozin (ugljovodonično gorivo). Dodavanjem nanočestica (metali i aerogelovi) ovim materijama mogu se stvoriti gelatizovani tečni vodonik ili kerozin. Ova nanogoriva imaju bolje karakteristike za rukovanja od kriogenih pogonskih materija i manje su toksična od hipergoličnih goriva, tako da bi njihova zamena sa gorivima sa metalnim nanočesticama omogućila jednostavnije skladištenje, prevoz i rukovanje kosmičkih raketa, smanjenja lansirne rampe i povećanje operativnih mogućnosti korišćenja u svemiru.
Međutim, zamenu postojećih tečnih raketnih goriva sa ovim nanogorivima onemogućavaju još uvek nerešeni problemi kao što su: prerana oksidacija nanočestica i kontrolisanje njihove brzine sagorevanja. Za očekivanje je da će se u budućnosti prerana oksidacija rešiti razvojem hemijske tehnike pasivizacije pri proizvodnji nanočestica, dok se brzina sagorevanja može kontrolisati oblikom i veličinom nanočestica, što zahteva razvoj novih metoda njihove sinteze.Nanomaterijali, kao što su neke vrste ugljeničnih nanocevi, pokazali su se i kao moguće sredstvo za bezbedno skladištenje tečnog vodonika, ali je pre njihove primene potrebno proširiti temperaturni opseg pri kojem je apsorpcija i desorpcija vodonika najefikasnija.

Visoko porozna grafenska pena, materijal koji se koristi u elektronici, optičkim i energetskim uređajima, pokazala se vrlo uspešna i za povećane brzine sagorevanja kod čvrstih raketnih goriva koja se koriste za pogon svemirskih letelica. Dodatak ovog laganog i poroznog materijala velike provodljivosti omogućuje efikasaniji prenos toplote u zoni gorenja čvrstog goriva što povećava njegovu brzinu sagorevanja, a pojačava i katalitički efekat metalnih oksida koji se obično koriste da poboljšaju njegovu razgradnju. Grafenske penaste strukture su termički stabilne čak i pri visokim temperaturama i mogu se ponovo koristiti.
Aluminijum ima jači afinitet prema kiseoniku od većine elemenata, što omogućava da se, pri njegovom sagorevanju, oslobađa velika količina toplote, čak i u materijama za koje se obično smatra da su inertni, kao što su ugljen dioksid i voda. Još od sredine pedesetih godina prošlog veka, zna se da aluminijum dodaje energiju reakciji sagorevanja u raketnim gorivima i pojačava efekat eksplozije u eksplozivima, zbog čega se u njihov sastav dodaje aluminijumski prah da bi im se poboljšale performanse.
Konvencionalni aluminijumski prah koji se koristio je obično bio veličine nekoliko desetina mikrona. Međutim, pri sagorevanju čvrstog raketnog goriva kojem je dodat ovaj aluminijum u prahu, postojanje trajnog oksidnog sloja koji se formira na površini aluminijskih čestica zahteva značajnu toplotu da bi se ono savladalo, što oduzima deo energije koja se dobija sagorevanjem samog aluminijuma. Pored toga, pri isticanju gasovitih produkata sagorevanja na visokoj temperaturi, kroz profilisani mlaznik, aluminijum oksid (Al2O3) se kondenzuje u čvrste čestice, ostavljajući u njemu njegovu toplotu kondenzacije i umanjujući efekat širenja, a time i silu reakcije, što je umanjivalo efekat oslobađanja energije iz aluminijuma. Zbog toga je uloga aluminijuma u raketnoj tehnici bila dodatak čvrstim raketnim gorivima kao što je metalno gorivo, koje povećava njihovu gustinu i temperaturu sagorevanja i deluje stabilizirajuće na njihovo sagorevanje.

Razvoj nanogoriva

Iako su rakete sa pogonom na do sada korišćena hemijska goriva omogućile podizanje tereta i ljudi u i izvan Zemljine orbite, pokazalo se da su, zbog svojih ograničenja, neadekvatne za duža putovanja u svemir, a pored toga su i skupa. Stoga postoji potreba za razvojem pogonskih materija nove generacije koje se mogu koristiti za letove u duboki svemir, a poseduju karakteristike zbog kojih se mogu skladištiti u niskoj Zemljinoj orbiti (od 160 do oko 2000 km od površine Zemlje) i to u dužem vremenskom periodu, što nije izvodljivo ako se za te letove koristi kriogeni vodonik. Među njima je i kombinacija aluminijuma i vode, koja se od 1960-ih godina proučava kao moguće pogonsko sredstvo za pogon kosmičkih raketa, jer reakcija aluminijum-voda tokom sagorevanja oslobađa veliku količinu energije i zelene produkte sagorevanja, a pri tome su obe materije jeftine.
Od početnih studija u kojima je ispitivano sagorevanje aluminijuma i tečne vode sa razvojem nanotehnologije se prešlo na korišćenje nano-aluminijumskog praha koji je sagorevao sa rashlađenim ili „zaleđenim“ oksidatorima. Tako je nastalo nanogorivo, raketno gorivo pod nazivom ALICE koje se sastoji od nano-aluminijumskog praha i vode, koje se posle mešanja zamrzava da bi se materijal održao stabilnim. Otuda i naziv goriva ALICE, od ALuminijum i ICE (led). Kako je oksidni sloj u nano-aluminijumskom prahu tanji i lakši za prevladavanje od onog u aluminijumu mikronskih dimenzija, to omogućava da se proces sagorevanja aluminijuma sa zaleđenom vodom lakše pali i održava.

Osnovna reakcija sagorevanja je: 2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 3 H2, iz čega se vidi da aluminijum vezuje kiseonik, a oslobađa vodonik u obliku gasa niske molekularne mase koji, kao radni fluid, pri širenju u mlazniku pretvara toplotu sagorevanja (a potom i kondenzacije) u potisak. Pošto visoka gustina smeše omogućava smanjenje usladištene mase i visoku potisnu snagu, ALICE je predložen kao pogonsko gorivo pogodno za proizvodnju na licu mesta na svemirskim telima poput Meseca, pa se može koristiti za misije na Mars i druga nebeska tela, jer su i aluminijum oksid (izvor aluminijuma) i voda obilni resursi u svemiru, dok velika gustina pogonskog goriva smanjuje masu rakete. Održavanje ovog pogonskog sredstva u smrznutom stanju je relativno jednostavno na većini planeta u Sunčevom sistemu, u poređenju sa drugim pogonskim materijama visokih performansi koje često sadrže kriogene tečnosti koje mogu imati probleme pri dugoročnom skladištenju.
Pored aluminijuma, postoje i drugi energetski materijali na bazi metala u obliku praha koji, pod određenim stimulansima, oslobađaju velike količine energije, ali je brzina oslobađanja energije ako su oni mikronske veličine - prilično mala. Međutim, ako se ovi energetski materijali na bazi metala koriste u nano veličini, imaće brzo oslobađanje energije kao posledicu značajnog povećanja specifične površine svih uključenih reaktanata. Reakcijski sistemi koji se sastoje od nano praškastog metala (najčešće aluminijuma ili cirkonijuma) kao goriva i nanočestica metalnih oksida kao oksidanta čine posebnu klasu nanoenergetskih materijala, poznatu kao metastabilni intermolekularni kompozit. Pri vrlo brzim reakcijama koje se dešavaju između praha metala i metalnih oksida, stvaraju se visoke temperature (veće od 3000K), što je slično temperaturama termitnih sastava pa se ovi sistemi nazivaju i nanotermiti ili supertermiti. Sigurnost i osetljivost na paljenje na spoljašnje podražaje su od velikog značaja za njihovo koriščenje jer su ovi nanoenergetski materijali veoma podložni paljenju elektrostatičkim pražnjenjem, udarima, trenjem i toplotnim impulsom zbog male veličine čestica i velike specifične površine. Zbog toga je, trenutno, njihova primena ograničena na izradu nove generacije ekološki prihvatljivih primarnih eksploziva. Takođe, mogu da nađu primenu i za izradu inicijatora i punjenja za naduvavanje vazdušnih jastuka i izradu termičkih baterija.

Razvoj raketa nano dimenzija

Tokom protekle decenije, u okviru nanotehnologije se, pored razvoja materijala, sve veća pažnja poklanjala razvoju samohodnih uređaja nano dimenzija, među kojima su posebno mesto zauzeli pogonski uređaji. Konstrukcija reaktivnih pogonskih uređaja nano dimenzija ima niz jedinstvenih izazova, pošto su sile gravitacije i sila otpora koje postoje na makro skali zamenjene, usled malih dimenzija uređaja, viskoznim otporom na malom Rejnoldsovom broju i Braunovim kretanjem. Ugledajući se na kretanja prirodnih biomolekularnih motora, naučnici su razvili rakete mikro/nano dimenzija na sopstveni pogon, koje koriste raspoloživa hemijska goriva u okruženju u kome se kreću da bi stvorili potisak, analogno načinu na koji se stvara potisak kod velikih raketnih motora-pomoću pogonskih materija koje se nalaze u samoj raketi.
Kod objekata mikro i nano dimenzija, kretanje se zbog izuzetno malih vrednosti dimenzije i brzine odvija na vrlo malim Rejnoldsovim brojevima, u rasponu od 10-1 do 10-5. Pri tim uslovima dominiraju viskozne sile, pa je za kretanje tela u takvoj sredini potrebno da telo na nju izvrši nepovratni pritisak. Da bi se to postiglo, mikro/nano raketa oblika šupljeg konusnog cilindra uvlači gorivo iz sredine u kojoj se nalazi kroz njegov uži kraj i koristi ga za hemijske reakcije razgradnje u katalitičkoj ili reaktivnoj unutrašnjoj šupljini (komori). Ove reakcije stvaraju mehuriće gasa koji narastaju i izlaze kroz širi kraj šupljine cilindra u okruženje. Ovo izbacivanje mehurića proizvodi silu potiska koja pokreće nano raketu napred (propulziju) za određenu dužinu. Pri visokoj učestanosti izbacivanja mehurića, kretanje rakete postaje gotovo neprekidno, dostižući maksimalnu brzinu od 1400 dužina/s. Pogon sa mehurićima omogućava mikro/nano raketama da se kreću u širokom rasponu sredina bogatih solju i visoko viskoznim biološkim medijima. Reakcija razgradnje goriva mora biti umereno energična, dovoljna da stvori mehurić potrebne veličine na odgovarajućoj učestanosti, ali bez prekomernog bubrenja koji bi moglo proizvesti suprotni potisak. Pored toga, reakcija mora trajati kontinuirano jer reakcije koje brzo razgrađuju unutrašnji sloj ili ga čine hemijski inertnim nisu u stanju da obezbede dovoljno trajanje pogona.

Snimak mikorakete koja uklanja otrovnu organsku boju iz vode

Za razliku od raketa normalnih dimenzija, nanorakete koriste hemijsko gorivo direktno iz svog okruženja tako da se mogu kretati sve dok je gorivo prisutno. Ovo eliminiše potrebe za skladištenjem ili dopunjavanjem goriva i omogućava dugotrajno, neprekidno pokretanje raketa kroz medijum koji ih okružuje, što ih čini posebno atraktivnim za primenu u biološkim ili ekološkim medijima. Pored toga, ovi motori su visoko upotrebljivi jer se nijedna od komponenti ne troši tokom pogona. Precizna kontrola kretanja nanoraketa može se postići korišćenjem spoljnih podsticaja, poput magnetnog, toplotnog, svetlosnog ili akustičkog polja, koji mogu modulirati njihovo propulzivno ponašanje. Za magnetno polje je potrebno da se u cevastu strukturu integriše feromagnetni sloj na bazi Fe, Ni ili Co. Ove sofisticirane nano rakete već su se pokazale sposobnim za obavljanje različitih biomedicinskih zadataka, u rasponu od isporuke lekova u određeni deo ljudskog tela do izolacije ćelija raka. Nedavna otkrića su pokazala da mikro/nano rakete mogu efikasno da funkcionišu i aktivno isporučuju korisne terete in vivo, bez toksičnih nusprodukata ili oštećenja tkiva. Ovo daje i ogromne mogućnosti za projektovanje inteligentnih i minijaturisanih dijagnostičkih i terapijskih uređaja nove generacije.

Nanofluidni tranzistor

Nanorakete se mogu koristiti i za sanaciju zagađenja u životnoj sredini, što može dovesti do znatnog poboljšanja metoda dekontaminacije. Kontinuirano kretanje ovih raketa već je korišćeno za transport reaktivnih materijala kroz kontaminirane uzorke, pri čemu je izazivalo njihovo intenzivnije mešanje tokom procesa detoksikacije u materijama kao što su nervni agensi ili organski zagađivači. Mikro/nano rakete su uspešno korišćene za čišćenje otpadnih voda i smanjenje ili uklanjanje CO2. Njihova upotreba je znatno skratila vreme potrebno za uklanjanje zagađenja i smanjila potrebne količine reagensa, što je smanjilo i troškove dekontaminacije. Usavršene mikro/nano raketa će moći da se koriste za kontrolu stanja životne sredine i proveru kvaliteta vode.

Poboljšano upravljanje zdravljem kosmonauta

Nanoporozni materijali prilagođeni veličini i obliku pora dovešće do razvoja efikasnijih sistema za uklanjanje ugljen-dioksida i drugih nečistoća iz vazduha, kao i organskih i metalnih nečistoća iz vode za piće koje kosmonauti koriste na kosmičkim brodovim, a odgovarajuće raspoređeni hemijski nanodetektori mogu naći upotrebu u sistemima za praćenje kvaliteta vazduha i vode i u nadgledanju zdravlja astronauta. Uređaji na bazi nanofluidike (hidrodinamike fluida koji su ograničeni na strukture nanometarskih dimenzija) omogućiće razvoj medicinsko-dijagnostičkih sistema u realnom vremenu, za praćenje zdravlja astronauta i pomoć u dijagnostici i lečenju bolesti. Takođe, i nanovlakna proizvedena izvlačenjem pomoću električne sile sa dokazanim potencijalom da podrže inženjering tkiva i regenerativnu medicinu mogu proširiti i radikalno promeniti metode upravljanja zdravljem astronauta.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"