Металлическое стекло в открытом Космосе

Мировой экономический кризис не останавливает активные инновационные разработки в области космических исследований. Металлическое стекло «со странными свойствами», впервые изобретенное в 1960 году Полом Дювецом, похоже, наконец обрело достойное применение. Его обновленный состав планируется использовать при создании космических роботов-исследователей. О новом материале и проекте НАСА по космической роботизации, рассказывает портал ОКНА МЕДИА.

фото: металлическое стекло обладает свойствами и металла, и стекла

Объемное металлическое стекло как футуристический объект

Когда Пол Дювец в 1960 году выливал расплавленный горячий состав на основе металла и наблюдал за его свойствами при резком охлаждении, ему и в голову не могло прийти, что данное необычное изобретение вдохновит не только футуристический кинематограф, но и станет реальной основой для новых космических программ. Первоначально полученный Дювецом состав был крайне хрупким и ломким. Он назывался сверхбыстрозамороженным, поскольку вырабатывался при резких скачках температур и одновременном литье состава на стремительно вращающийся медный цилиндр. Охлаждение происходило со скоростью 10 000 000 К/с.

фото: невероятный материал будущего - аморфный металл - или металлическое стекло 

Аморфность как главное свойство сразу определило новый материал. Название  «объемное металлическое стекло» возникло в 70-е годы для обозначения новых макроскопических палладиевых сплавов объемом 1 мм с трехмерной структурой. Такое наименование было дано, поскольку сплав был только в основе своей металлическим, а его ключевым свойством была текучесть, или склонность к стеклованию, как ее называли экспериментаторы. По сути, металлическое стекло - это двухфазная структура «стекло –металл», где композит на основе металла или соединений различных металлов непрерывно переходит в стекловидное состояние при охлаждении и претерпевает обратное превращение в застывший металл при следующем затем нагревании с достаточно высокой скоростью процесса нагрева. 

фото: разные варианты поверхностей металлического стекла - состав после застывания

Впоследствии эта способность сплава к метаморфозам натолкнула художников, сценаристов и режиссера культового фильма оТерминаторе на создание образа самогенерирующихся роботов-убийц из текучего металлического стекла. Однако практическое применение состава до сих пор был крайне узким, и находилось в основном в области микроштамповки. Еще недавно рассуждения о том, что объемное металлическое стекло может быть использовано в космической промышленности носили исключительно «предположительный» характер.

Металлическое стекло: практическое применение - Космос 

На сегодня НАСА является первой организацией, где объемное металлическое стекло, или BMG, станет участником крупномасштабной космической программы по роботизации Вселенной. Основная сложность при работе с металлическим стеклом заключается в рецептуре: состав остается хрупким, если не найти филигранную пропорцию между металлами-участниками сплава. Также предотвратить образование трещин помогает кристаллизация с помощью специальных веществ, которые, формируя кристаллические решетки, скрепляют полосы скольжения внутри сплава и не дают ему «ломаться». До сих пор эксперименты  с металлическим стеклом позволяли использовать его в микроэлектромеханических системах (МЭМС), при прозводстве имплантов и хирургических инструментов.

Сжать нельзя растянуть: удивительные свойства BMG 

фото: металлическое стекло на сломе 

Наряду с хрупкостью – проблемой, которую предстоит решать и решить создателям космических роботов, - металлическое стекло обладает почти сверхестественной гибкостью, высокими антикоррозийными показателями и  даже самовосстанавливающимися свойствами после снятия прилагаемой нагрузки – почти как в кино. Интересной «слабостью» BMG является его неустойчивость  к  различного рода растяжениям. Однако при смене толщины до  показателя < 10 нм образцы становятся гораздо более устойчивыми к деформациям, чем при толщине < 1 мм, что также называется «странным свойством» металлического стекла. Пока ученые работают с трехмерными микромоделями из металлического стекла и бдумывают пути снижения себестоимости использования состава для его широкого применения в производстве и промышленности, американское космическое агентство заявило о создании роботов-исследователей на основе BMG.

Терминатор в реальном Космосе 

фото: несмотря на фантастичность, фильм отразил главные свойства BMG - он легко плавится и быстро и прочно застывает

В отличие от шутливого киношного прототипа конструкции НАСА нацелены исключительно на мирные программы покорения космических пространств. Устойчивость и «хорошее поведение» образцов из BMG при сжатии позволяет использовать сплав для создания роботов, нацеленных на работу с очень холодными объектами. Это важно для работы космических роверов Curiosity , которые не могут работать на смазке без подогрева, а процесс нагревания на данный момент стал слишком затратным.

Металлическое стекло позволяет сконструировать своеобразный защитный панцирь, который будет предохранять машины от холодных температур и позволит существенно снизить энергозатраты на подогрев. Гибкость металлического стекла позволяет ему при нагревании обтекать любые формы и поверхности и потому его защитные функции могут использовать практически для любых изделий любой формы. Использование веществ для кристаллизации состава и рандомизация атомов в сплаве повышает его защитные свойства и делает нечувствительным к нагрузкам. Одним из минусов пока остается большой вес сплава и готовой конструкции из него.

Металлическое стекло в России и сотрудничество с НАСА 

В России инновационный высокотехнологичный материал BMG начнут разрабатывать в университете НИТУ «МИСиС» на базе лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы». Под руководством Акихиса Иноуэ (Akihisa Inoue), профессора университета Тохоку (Япония), который является признанным мировым экспертом в сфере материаловедения и металлического стекла, будет проходить разработка усовершенствованного металлического стекла, которое, по заявлениям ученых, по прочности будет превосходить сталь. Вполне возможно, что в перспективе русские и американские ученые создадут совместную космическую программу, где будет задействован BMG.

Сегодня, несмотря на экономические санкции и сложности на российско-американском политическом ландшафте, сотрудничество США  России в области исследования космоса продолжается. Одним из интересных экспериментов станет наземная программа изучения человека во время длительной изоляции с целью подготовки астронавтов к пребыванию на инопланетных станциях, например, на Марсе или Луне, при участии Института медико-биологических проблем Российской Академии Наук.

О программе подробно рассказал в своем интервью одному из российских новостных агентств 6 декабря директор программы по изучению человека в НАСА Уильям Палоски.

Программа Марсианин и металлическое стекло 

фото: ровер Curiosity, в конструкцию которого планируется ввести панцирь из металлического стекла

Программа рассчитана на построение двухнедельного изоляционного эксперимента с участием русских и американских специалистов, который поможет изучить и определить возможности организма человека в условиях имитации пребывания  в космосе  на базе российского модуля Марс-500.  Проект будет осуществлен в 2017 — 2018 годах. Специалисты ИМБП (Институт медико-биологических проблем) станут участниками экспериментов в изоляционных системах НАСА. Также предусмотрено участие в проекте одного астронавта из Японии.

В отличие от фильма «Марсианин», эксперимент будет проводиться  в группах по четыре-шесть человек и на Земле. Уильям Палоски заявил, что обе стороны, и российская, и американская, одинаково заинтересованы в укреплении и расширении сотрудничества в раках исследования Космоса. Предварительные высказывания нового президента США по поводу развития сотрудничества наших стран в космической сфере также показывают заинтересованность и внушают оптимизм.

Возможно, что в перспективе новые роботы из объемного металлического стекла будут содействовать работе международных экипажей на орбите и станциях вне Земли.

фото: аморфная и кристаллическая структуры в составе BMG в основе его "перемечивых" свойств - прочности и текучести Несмотря на большой промежуток времени – более 50 лет со дня открытия – свойства металлического стекла и двухфазной структуры стекло-кристалл до сих пор не изучены и представляют огромную территорию для революционных технологических экспериментов и открытий с целью применения  в самых разных областях человеческой деятельности – от электроники и медицины до космических роботов. Новый всплеск интереса к металлическому стеклу в наше время идет в русле поиска применения сплава с добавлением полимеров к композиту и его максимальной коммерциализации. Портал ОКНА МЕДИА рекомендует прочитать:

Металлическое стекло прочнее стали