Сплав для телескопов, действующих в космосе, предложил казахстанский школьник

Просто космос!

Сплав для телескопов, действующих в условиях космоса, предложил ученик Назарбаев Интеллектуальной школы в Усть-Каменогорске Даулет Капаров.

Сверху видно все

Спутники, телескопы, орбитальные станции, исследовательские аппараты… Внеземное пространство все больше помогает людям решать конкретные земные проб­лемы и все сильней манит новыми открытиями. Именитый креативщик Илон Маск обозначил 2029 год как дату высадки на Марс. Глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин подтвердил планы на ближайшие годы по отправке исследовательской миссии «ЭкзоМарс».

Как рассказал учитель физики НИШ Бекжан Муратбеков, конструкции, работающие в космосе, создают из особых материалов – суперпрочных, устойчивых, легких. Их поиск – отдельное высокотехнологичное направление в науке. Например, около ста лет назад первым крылатым металлом стал алюминий с добавками марганца и магния. В 1980-х годах наука предложила прочные и пластичные легированные сплавы на основе титана. А сегодня в космической индустрии используют такие новые материалы, как интерметаллидные соединения, высокомодульный углепластик, сложные композиты.

– Даулет в 8-м классе увлекся астрофизикой – это направление, исследующее внеземные объекты и космос в целом, – дополнительно пояснил педагог. – На орбите работают телескопы, которые ведут дистанционное зондирование Земли, исследуют небесные тела. Эти данные востребованы у метеорологов, климатологов, гео­логов, аграриев, в космических агентствах, изучающих, например, потенциально опасные для Земли астероиды. Интереснейшая область знаний!

Школьник взялся за задачу получения сплава со свойствами, подходящими для космических телескопов. По словам Даулета, чаще всего производители применяют Invar – железоникелевый сплав с добавками кобальта – Fe-Ni-Co. Его главное достоинство – практически нулевая реакция на перепад температур. В космосе при солнечном свете оборудование нагревается, зато в тени в окружающем пространстве царит абсолютный ноль – минус 273 градуса. При нагревании, как известно, тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Если речь идет о приборах, предназначенных для точных измерений, в том числе телескопах, такие колебания влия­ют на результаты. Иногда просто сводят на нет всю работу.

Вместе с тем масштабное применение инвара сдерживают два серьезных недостатка: во-первых, у сплава низкая коррозионная стойкость, а во-вторых, он дорогостоящий.

– Железо – незаменимый ­элемент любых инженерных конструкций, особенно в виде высокопрочных сталей, – рассказал воспитанник НИШ. – Сталь отличается жесткос­тью, устойчивостью к вибрации, другими важными свойствами. И она более доступна по цене. Поэтому мы взяли для эксперимента нержавеющую сталь и дисперсионно-твердеющий сплав – материал, набирающий прочность при термической обработке.

Под микроскопом

Опытно-практическую часть юный исследователь смог провес­ти на базе национальной научной лаборатории Восточно-Казахстанского университета им. С. Аманжолова – у НИШ с вузом давнее доброе партнерство. Даулет взял равные пропорции двух металлов и провел плавку в индукционной печи при температуре выше 1 100 градусов. Как с улыбкой признался старшеклассник, вся история была чис­тым экспериментом. Возможно, на выходе не получилось бы ничего стоя­щего, а возможно, новый состав проявил бы отличные свойства.

Непростым, но увлекательным оказался этап работы с приборами. Пришлось знакомиться с принципом их действия, осваивать способы измерений, методы расчетов. С помощью прибора ПМТ-3М в университетской лаборатории школьник определил микротвердость образцов. Аппарат потенциостат-150 позволил рассчитать коррозионную стойкость, специальный индикатор – температурный коэффициент линейного расширения.

Чтобы исследовать свой сплав на химический состав, Даулет воспользовался лабораторией Восточно-Казахстанского техуниверситета им. Д. Серикбаева – еще одного партнера НИШ. Растровый, или сканирующий, электронный микроскоп показал точное содержание всех основных компонентов – железа, никеля, кобальта, хрома, марганца… До долей процента. Юный исследователь резал образцы на кусочки, крошил, растирал, обрабатывал, смотрел микроструктуру, фазовый состав…

– При том же коэффициенте линейного расширения, как у инвара, наш сплав показал более высокую  – на 46% – микротвердость, – пояснил старшеклассник. – Кроме того, у него лучшие показатели по коррозионной стойкости. Причем мы исследовали образцы при разных режимах: меняли время отжига, разогревали, охлаждали. И вот нашли вариант, показавший отличный результат.

О важности эксплуатационных свойств современных материалов школьник рассказал на примере компании Илона Маска. В ходе работы над межпланетной транс­портной системой перед инженерами SpaceX встала задача поиска идеального покрытия для топливного бака под такое горючее, как чистый горячий кислород. Не надо быть специалистом, чтобы понять, какая это агрессивная среда! Сначала планировали взять инвар – он легкий, ковкий, пластичный, его можно приваривать, раскатав в тонкие листы. Однако от идеи пришлось отказаться – металл показал низкую коррозионную стойкость и недостаточную микротвердость. То есть он малопрочный.

– А наш сплав обладает всеми необходимыми характеристиками для применения в космических технологиях, – отметил Даулет. – Он подходит для приборов, удерживающих зеркала и линзы, может использоваться как материал для изготовления топливного бака.

Проект воспитанника усть-каменогорской НИШ «Исследование эксплуатационных свойств сплава Fe-Ni-Co с легирующими элементами, применяемых в высокоточных приборах космической индустрии» стал лауреатом Всероссийского открытого конкурса юношеских исследовательских работ имени В. Вернадского. По словам учителя физики Бекжана Муратбекова, исследование невероятно перспективное, у него могут быть разные направления. И работы впереди еще много.

– Свое будущее Даулет видит в астрофизике, в области дистанционного зондирования Земли, – заключил учитель. – Школьный проект уже позволил ему погрузиться в эту тему.