Победитель конкурса на получение стипендии для колледжей SAM в размере 1000 долларов в 2019 году

Конкурс на получение стипендии Stanford Advanced Materials в размере 1000 долларов США на 2019 год завершился в прошлом месяце и собрал рекордное количество заявок от студентов. Поздравляем победителя:

Чарльз Бойл
Техасский университет в Остине

Участников конкурса попросили написать эссе, в котором они должны были рассказать о своем опыте использования передовых материалов в жизни и рассказать о том, какое влияние они окажут в будущем.

Мы получили более 200 работ от студентов из США, и Чарльз занял первое место. Он получил 1000 долларов за то, что поделился своим крутым опытом и продуманными идеями о тугоплавких металлах в эссе, которое мы опубликовали здесь с его разрешения:

Чарльз Бойл

В начале 2018 года я начал то, что вскоре станет самым крутым опытом в моей жизни: весеннюю стажировку в Лаборатории зеленого движения Центра космических полетов НАСА имени Маршалла. Во время этой стажировки я участвовал в двух основных проектах: разработке и изготовлении первой в НАСА "зеленой" системы загрузки монопропеллента с низким уровнем токсичности для заправки космических аппаратов, а также в разработке модуля разгерметизации CubeSat, оптимизированного для взаимодействия с зеленым топливом. Благодаря этим двум опытам я получил глубокое понимание преимуществ "зеленых" двигательных систем по сравнению с существующими гидразиновыми монотопливными системами, а также проблем, сдерживающих широкое использование "зеленого" топлива в космических полетах.

Благодаря своему опыту работы в НАСА я обнаружил, что одной из, если не главной, проблемой, связанной с "зеленым" топливом, является температура, необходимая для его правильного сгорания. Обычные материалы, которые в других случаях широко используются в сборках камер сгорания, не выдерживают слишком высоких температур, связанных с термическим разложением зеленого топлива. Несмотря на различные преимущества "зеленого" топлива перед традиционным монопропеллентом - например, меньшую токсичность, более высокую плотность импульса, простоту обращения - если обычные материалы не выдерживают высокой температуры и/или окислительной среды горения, связанной с "зеленым" топливом, такие двигательные системы становятся невозможными.

Именно здесь на помощь приходят тугоплавкие металлы. Будущее "зеленой" энергетики - за развитием технологий производства тугоплавких металлов (RM). Тугоплавкие металлы, такие как иридий и рений, имеют огромное значение для разработки "зеленой" двигательной установки, поскольку они являются одними из немногих материалов, способных выдерживать температуры, связанные с длительным термическим разложением "зеленого" топлива. Тем не менее, своевременные и дорогостоящие методы их изготовления ограничивают использование "зеленых" двигательных установок лишь некоторыми миссиями. Кроме того, в настоящее время использование тугоплавких металлов в "зеленых" ракетных установках по большей части ограничивается субтрактивным производством. Технологии аддитивного производства, связанные с тугоплавкими металлами, такие как печать рениевых сопел на печатном столе DMLS, являются относительно неизученными. Поэтому разработка более дешевых субтрактивных технологий производства РМ, а также надежных аддитивных технологий производства РМ может полностью изменить область спутниковых двигательных систем. Эти возможности производства РМ позволили бы полностью заменить существующие монотопливные системы, такие как гидразиновые движители, что, в свою очередь, резко снизит среднюю токсичность монотопливных двигательных систем и значительно увеличит плотность импульса.

Почему это важно? Несмотря на то, что тугоплавкие металлы являются очень специфической технической проблемой в области двигательной техники, они окажут большое влияние на аэрокосмический сектор, когда технологии их производства станут более эффективными. Основное преимущество, которое дают "зеленые" ракеты, - это более высокая плотность импульса, или, другими словами, более высокий импульс, который ракеты могут обеспечить космическому аппарату на единицу объема ракетного топлива. Это не маленькая техническая деталь. Более высокая плотность импульса может сыграть решающую роль в принятии или отклонении революционной миссии на этапе ее разработки. Другими словами, избыток плотности импульса вполне реально может стать тем фактором, который позволит миссии продвинуться вперед и в конечном итоге сделать то, что когда-то было научной фантастикой, реальностью.

Например, миссия, которая считается самым важным астронавигационным мероприятием предстоящего десятилетия, - это миссия по возвращению образцов с Марса (MSR). Область миссии, требующая самых современных инженерных решений, - это марсианский спускаемый аппарат (MAV). MAV - это космический аппарат, который поднимет образец марсианской поверхности на марсианскую орбиту. Такой тип запуска, очевидно, еще никогда не осуществлялся. В большинстве попыток разработать MAV для вывода полезной нагрузки на орбиту используются твердотопливные, гибридные или монореактивные двигательные установки, и предлагаемая архитектура двигательных установок MAV обычно не способна обеспечить необходимый импульс для вывода полезной нагрузки на марсианскую орбиту. Именно так использование тугоплавких металлов может привести к успеху одной из самых важных миссий, когда-либо выполнявшихся человечеством. Если технологии производства РМ будут усовершенствованы до такой степени, что РМ можно будет использовать в конструкции "зеленой" высокоэффективной двигательной установки MAV, это позволит успешно осуществить миссию MSR, сделав человека еще на один шаг ближе к тому, чтобы ступить на марсианскую поверхность.

Как и гениальные аэрокосмические инженеры, работавшие до меня, я хочу, чтобы результаты труда всей моей жизни привели к запуску людей и роботов за пределы земной орбиты на нетронутые небесные тела. Чтобы осуществить эту мечту, человечеству необходимо сначала создать доступные и надежные двигательные установки нового поколения. Тугоплавкие металлы - это ключевой элемент, который позволит нынешним гидразиновым монопеллентным системам превратиться в более эффективные и надежные "зеленые" двигательные установки. Эти экологичные двигательные системы в конечном итоге произведут революцию в области двигательных установок для малых спутников и позволят достичь высоких целей, которые человечество ставит перед собой в будущем при освоении космоса.

Ссылка: Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.). Дорожная карта развития технологий экологичного движения НАСА на 2018 год.

Отличная работа, Чарльз! Желаем тебе всего наилучшего в твоей карьере в колледже и за его пределами.