Ученые выяснили, что углеродные нанотрубки слишком "слабы" для того, чтобы стать материалом для строительства космического лифта

Космический лифт


Углеродные нанотрубки (Carbon nanotubes, CNT) являются достаточно удивительным материалом, обладающим целом рядом уникальных характеристик, что позволит в недалеком будущем использовать их для изготовления сверхлегких и сверхпрочных конструкций, новых типов компьютерных чипов и т.п. Одним из перспективных направлений использования нанотрубок считалось до последнего времени сооружение космического лифта. Однако, результаты исследований, проведенных недавно учеными из Гонконга, указывают на то, что распространенный дефект, связанный с отсутствием одного атома в структуре нанотрубок, сделает невозможным их использование в космическом лифте, которому так и суждено пока оставаться лишь уделом произведений из разряда научной фантастики.

Прочность углеродных нанотрубок является следствием их строения на атомарном уровне, они состоят из атомов углерода, соединенных в структуру типа трубы, стенка которой имеет одноатомную толщину. Теоретический предел прочности идеальной нанотрубки составляет 100 гигапаскаль (ГПа) на разрыв, однако, прочность реального волокна, сплетенного из большого количества длинных нанотрубок, не превышает значения в 1 ГПа.

Причину этого попытался выяснить Фенг Динг (Feng Ding) и его коллеги из гонконгского Политехнического университета (Hong Kong Polytechnic University). Ученые составили математическую модель углеродной нанотрубки с дефектом в виде одного отсутствующего атома. Структура такой нанотрубки превратилась из шестиугольной упорядоченной в структуру из чередующихся пятиугольников и семиугольников. Наличия только одного дефекта стало достаточно для того, чтобы прочность нанотрубки снизилась до уровня 40 ГПа, а увеличение количества дефектов привело к еще большему уменьшению прочности.

Углеродные нанотрубки


Семиугольная петля представляет собой самое слабое место в структуре нанотрубки. И под воздействием прикладываемого усилия нанотрубка начинает "рваться по шву" именно с места наличия семиугольной петли, разрывая дальше и связи между атомами в нормальных шестиугольных ячейках. В случае волокна, сплетенного из множества нанторубок, разрыв одной ведет к началу процесса лавинообразного разрыва и соседних нанотрубок, поскольку прикладываемое усилие перераспределяется на все нанотрубки.

И, результаты исследований показали, что наличие одного единственного лишнего атома или отсутствие атома в структуре нанотрубки является причиной снижения прочности всего волокна. А все нынешние процессы изготовления углеродных нанотрубок очень и очень далеки от совершенства и не могут обеспечить получения на выходе нанотрубок без единого дефекта.

Это является плохой новостью для людей, которые уже планируют строительство космического лифта, основу которого должен составлять очень прочный кабель, связывающий поверхность Земли и орбитальным спутником. Согласно предварительным оценкам прочность такого кабеля должна составлять не менее 50 ГПа, углеродные нанотрубки были самым многообещающим видом материала для этого кабеля. Но исследования Фенга Динга указывают на то, что пока люди не научатся производить идеальные нанотрубки большой длины и в больших количествах, о строительстве космического лифта можно всерьез и не задумываться.




Ключевые слова:
Космический, Лифт, Кабель, Прочность, Углеродные, Нанотрубки, Дефект, Производство

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Многослойные углеродные нанотрубки - безопасное средство для восстановления ...
  • Нанотрубки будут использваться в обнаружении дефектов материалов
  • Транзисторы на углеродных нанотрубках откроют эру производства дешевых элек ...
  • Исследования процессов, происходящих внутри звезд, предоставили новую техно ...
  • Сверхдлинные углеродные нанотрубки могут стать линиями электропередачи буду ...




  • 11 июля 2016 08:22
    #1 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    прочность реального волокна, сплетенного из большого количества длинных нанотрубок, не превышает значения в 1 ГПа

    Это что же, плетение каната из нанотрубок практически не увеличивает его прочность по сравнению с одной нанотрубкой?
    И про углеродные нанотрубки всегда пишут про натяжение, а как они ведут себя при других видах воздействия: высоких температурах, сжатиях, трении, ударах каким-нибудь острым предметом(например птички поклюют:),...?
        
    11 июля 2016 10:54
    #2 Написал: Джон

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Цитата: zlat
    Это что же, плетение каната из нанотрубок практически не увеличивает его прочность по сравнению с одной нанотрубкой?
    - Увеличивает, но автоматически увеличивается и собственный вес такого каната. Палка ведь о двух концах?
        
    11 июля 2016 12:00
    #3 Написал: MaxIvanov

    Публикаций: 0
    Комментариев: 393
    В чем смысл " космического лифта"? Летает станция по геостационарной орбите, и к ней привязана веревка, по которой подымаются на станцию грузы.
    Разве сама станция, не должна будет постоянно компенсировать вес подымаемых грузов, и вес веревки? а если должна какой тогда в ней смысл
        
    11 июля 2016 13:22
    #4 Написал: Pulsar

    Публикаций: 0
    Комментариев: 312
    Цитата: MaxIvanov
    Летает станция по геостационарной орбите

    Нет, не так: Станция (грузило) находится за пределами ГСО. Иначе, естественно, спутник упадёт на Землю только за счёт веса троса. А так центробежная сила груза на орбите удерживает трос и поднимаемый груз.
        
    11 июля 2016 13:35
    #5 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Цитата: Джон
    - Увеличивает, но автоматически увеличивается и собственный вес такого каната
    , а где тут вообще вес упоминался? Речь идет исключительно о прочности каната из нанотрубок, без учета дополнительного натяжения, накладываемым его собственым весом.
    И как это повлияет на натяжение каната? В случае одинаковой прочности вес(самого каната) на 1 шт останется прежним, да еще и напряжение перераспределится, а "вес" спутника на 1 нанотрубку уменьшится. Только доставить на орбиту будет тяжелее.
    Прочность 1 шт. хорошей нанотрубки составляет 40 ГПа, а прочность каната из множества посредственных не превышает 1 ГПа. Сдается мне, что они практически между собой не сцепляются. Получается что, если порвалась самая прочная(бездефектная), то и весь "канат" за нею рвется?
        
    11 июля 2016 13:40
    #6 Написал: bundzmm

    Публикаций: 0
    Комментариев: 500
    zlat,
    Ну а как ты их сцепишь? Как в троссе, скручиванием? Здается мне, что какраз такое воздействие и губительно для нанотрубок.
        
    11 июля 2016 13:50
    #7 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    bundzmm, не знаю, они же их как то
    волокна, сплетенного из множества нанторубок

    Я бы как косичку заплел smile
        
    11 июля 2016 16:25
    #8 Написал: Джон

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Цитата: zlat
    а где тут вообще вес упоминался?
    - Я так понял, что вашему социуму перед очередной умственной конвульсией информационную дозу вкалывают. Память у вас короткая и приходится постоянно подпитывать ее очередной непутевой заметкой...
        
    11 июля 2016 17:20
    #9 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Однако, как низко вы пали, Джон, не ожидал от вас. Ну ляпнули вы глупость, бывает, приплели вес не к месту. А дальше к чему вместо аргументированного ответа на личности переходить?
        
    11 июля 2016 18:19
    #10 Написал: Zerger

    Публикаций: 0
    Комментариев: 776
    Тема - пустышка, а в коментах Тролляндия.


    --------------------
        
    11 июля 2016 22:54
    #11 Написал: mkz

    Публикаций: 0
    Комментариев: 112
    Уж сколько раз писали. Стационарный лифт - не единственный вариант космического лифта. И даже стационарный вовсе не должен спускаться до поверхности Земли.

    В выводе на орбиту дорог не подъём массы, а его разгон до первой космической, а в этом разгоне самое дорогое - что его нужно сделать быстро (пока груз не упал) :) . Можно груз поднять и повесить на недостающий до Земли лифт, который его затем разгонит до космической скорости. Или этот лифт может вращаться, "шагая" над Землёй (то есть его конец относительно земли будет описывать циклоиду), тогда ещё меньше нужна прочность.
        
    11 июля 2016 23:30
    #12 Написал: MaxIvanov

    Публикаций: 0
    Комментариев: 393
    Сегодня уже есть многоразовые ракеты, тем более с лифта запускать спутники можно будет только в одной плоскости, да и не на любую орбиту.
        
    12 июля 2016 07:19
    #13 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Цитата: mkz
    разгон до первой космической, а в этом разгоне самое дорогое - что его нужно сделать быстро

    А почему тогда сейчас не работают над электромагнитными пушками для запуска спутников? Вот здесь снаряд уже до 5 Махов разгоняют: Компания General Atomics начинает разработку корабельного рельсового орудия, мощностью 10 МДж. Всего-то раз в 5 меньше первой космической. По идее дальше уже дело техники, что и как применить, чтобы спутник на орбиту доставить.
        
    12 июля 2016 12:09
    #14 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 505
    zlat, Спутник и снаряд мягко говоря отличаются как по размерам, так и по допустимой перегрузке для своей начинки.
    Так-то исследования по запуску чего-либо в космос с помощью орудий давным-давно проводились, но практического применения так и не нашли из-за вышеуказанных ограничений.
        
    12 июля 2016 17:24
    #15 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Цитата: Rsa
    Так-то исследования по запуску чего-либо в космос с помощью орудий давным-давно проводились

    Ну, давным-давно еще снаряды так разогнать не могли, как в нынешнее время.

    Ух ты! Только что в новостях прочитал: Российские ученые впервые испытали электромагнитную пушку-"рельсотрон" . Наши во время испытаний "пулю" разогнали до первой космической, и работают над выводом в космос грузов с помощью электромагнитной пушки.
        
    12 июля 2016 18:03
    #16 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 505
    zlat, Вот и посмотрим, что и когда они смогут вывести на орбиту таким способом. Боюсь, что в ближайшие десятилетия - ничего, кроме металлической болванки.
        
    12 июля 2016 18:20
    #17 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Rsa, ставлю на то, что в ближайшие 10 лет выведут груз на орбиту, после того, как американцы сделают аналоги российских двигателей РД-180.
        
    12 июля 2016 20:37
    #18 Написал: Pulsar

    Публикаций: 0
    Комментариев: 312
    Цитата: zlat
    осле того, как американцы сделают аналоги российских двигателей РД-180.

    Что все привязались к РД-180? РД-170 мощнее, но такой рекламы не имеет. Просто дёшево им покупать эти движки у России, как мы сейчас покупаем электронные блоки для самолётов в Китае. Когда надо им было, выводили Атласы на своих двигателях.
    Бизнес, мать его...
        
    12 июля 2016 21:39
    #19 Написал: mkz

    Публикаций: 0
    Комментариев: 112
    Цитата: zlat
    А почему тогда сейчас не работают над электромагнитными пушками для запуска спутников?

    При спуске в плотные слои атмосферы (с первой космической скоростью) аппараты чуть ли не сгорают (а если специальная обшивка повреждена - то и просто сгорают). И это вверху, где атмосфера в десятки раз более разряжена, чем у поверхности.
    А теперь представьте первую космическую (плюс потери от трения) которую должна пушка выдать космическому аппарату в нижних слоях атмосферы. Наверное, если покрыть толстым слоем вольфрама, который по дороге испарится - то что-то до космоса долетит. Но сильно поджаренное.
        
    13 июля 2016 06:57
    #20 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Цитата: mkz
    А теперь представьте первую космическую

    например, экран из плазмы защитит, в том числе и от потерь трения

    Цитата: Pulsar
    Что все привязались к РД-180? РД-170 мощнее

    Я не привязался, всего лишь так работает бизнес. Если начали копировать технологии - создается более продвитая модель, пускается более изощренная реклама(, даются откаты, подкупаются чиновники, используется политическое давление, военное,...), или создается на замену другая технология.
    Хотя, возможно, и американцев не стоит дожидаться, ибо уже другие страны предлагают альтернативы по доставке в космос.
        
    13 июля 2016 14:30
    #21 Написал: mkz

    Публикаций: 0
    Комментариев: 112
    Цитата: zlat
    например, экран из плазмы защитит, в том числе и от потерь трения

    Как? Как плазма может защитить от набегающего сверх-звукового потока нейтрального газа атмосферы?! Воздух даже не почувствует наличия этой самой плазмы.
        
    13 июля 2016 15:51
    #22 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    mkz, в начале для аналогии почитайте про кавитацию, и про торпеду Шквал, которая движется под водой с "технически невозможнй" скоростью 100 м/с. А потом уже можете почитать про сверхвук и плазму, которая превращает ваш нейтральный газ в ионизированный, которым можно управлять.
        
    13 июля 2016 21:43
    #23 Написал: mkz

    Публикаций: 0
    Комментариев: 112
    Цитата: zlat
    которая превращает ваш нейтральный газ в ионизированный, которым можно управлять.

    Не хотите прикинуть количество энергии и напряжённость магнитного поля, необходимого для управления этой плазмой? Это вам не межпланетный полёт с несколькими протонами на метр, это плотная атмосфера в которой некрупные метеориты плавятся и испаряются без следа.
        
    14 июля 2016 05:06
    #24 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Вот наглядно и посчитайте, потом поговорим. Я же предложил только 1 вариант решения. Вспомните про то, что интересует всего небольшой объем, и кстати, учтите, что на таких скоростях плазма уже и сама возникает, надо ею грамотно управлять.
    Кстати, Тесла запускал плазменные разряды на десятки километров. А вот и советские разработки: Плазменный щит России
        
    14 июля 2016 12:36
    #25 Написал: mkz

    Публикаций: 0
    Комментариев: 112
    Цитата: zlat
    Вот наглядно и посчитайте, потом поговорим.

    Наглядно посчитать не сложно. Приземляющийся космический аппарат тормозится именно сопротивлением атмосферы, а не на своём двигателе садится. Тормозится с первой космической до почти нуля. То есть встречное сопротивление воздуха по мощности одного порядка с мощностью ракетного движка, который этот спутник выводит на орбиту с земли (понятно, что не первой ступени ракеты, которой нужно толкать ещё и топливр, но ускорение в два-три g для спускаемой массы оно обеспечивает). И это на верхних плотных слоях атмосферы. На уровне моря можете умножить это раз в сто.

    Вот когда вы придумаете как поставить подобную силовую установку с мощностью магнита на уровне движка ракеты - тогда и мечтайте о плазменном щите. Я тут пробежался по гуглу - мне особенно понравился американский проект, в части доведения его до рабочего состояния. Стопорнулись они на том, что если весь спускаемый тестовый модуль забить литиевыми аккумуляторами под завязку, то их энергии не хватит на магнитный щит. А ничего лучше литиевых аккумуляторов они не придумали.
        
    14 июля 2016 14:37
    #26 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    mkz, и к чему же весь этот спор, если вы так до сих пор даже про кавитацию не прочитали? А если прочитаете комментарии(посмотрите видео) более внимательно, то и про варианты работы с плазмой можете увидеть. А по сему дальнейшие беседы на эту тему считаю бессмысленными.
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.