10 Системы жизнеобеспечения

Задачи, связанные с совершенствованием систем жизнеобеспечения обитаемых космических аппаратов, многочисленны и разнообразны. Они включают разработку источников кислорода и удаления диоксида углерода; подсистем очистки загрязненной воды и проверки ее качества; вентиляции, очистки и фильтрации воздуха; регулирования и контроля влажности, температуры, давления и других характеристик воздуха; средств мониторинга состояния и здоровья членов экипажа и др.

С помощью наносенсоров можно контролировать состав атмосферы (искусственный нос), посредством наноструктурированных мембран — очищать и стерилизовать воду. Микродиагностические лаборатории, изготовленные методами НТ (лаборатории на одном чипе), способны проводить диагностику крови космонавтов по многим параметрам. Один из образцов такого прибора уже создан в сотрудничестве NASA и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и прошел лабораторные испытания. Другой, неинвазивный способ диагностики по изменению состава крови состоит в анализе оптического спектра пропускания излучения микроскопического лазера, закрепленного на мочке уха. Разрабатываются методы адресной доставки лекарств с помощью наночастиц (липосом, дендримеров, фуллеренов и др.).

Для более комфортного пребывания человека в условиях космического корабля создаются новые текстильные материалы. Они позволят поддерживать заданную температуру тела с учетом температуры окружающей среды, передавать по беспроводной связи в системы контроля данные о положении и двигательной активности космонавта, частоте дыхания, сердечных сокращений, кровяном давлении и др.

Все эти перечисленные медикобиологические системы с успехом могут быть использованы не только в космосе, но и на Земле, что делает их разработку еще более привлекательной. В таблице 5 просуммированы перспективы применения НТ в системах жизнеобеспечения обитаемых космических аппаратов.

Таблица 5 - Перспективы применения НТ в системах автономного жизнеобеспечения космонавтов

Нанотехнологические разработки	Характеристики	Степень интереса	Длительность разработки
Углеродные нанотрубки в газовых сенсорах	Повышенная чувствительность, стойкость к жестким условиям космического окружения	Очень высокая	Малая
Углеродные нанотрубки в микролабораториях на одном чипе	Повышенная чувствительность, стойкость к жестким условиям космического окружения	Очень высокая	Малая
Адресная доставка лекарств	Ускоренные диагностика и лечение	Очень высокая	Средняя
«Умный» текстиль	Большая адаптированность к космическим условиям с возможностью мониторинга состояния здоровья экипажа	Высокая	Средняя

11 Футурологические проекты

Описанные выше перспективы приложения НТ к традиционным задачам космонавтики уже начинают реализовываться и выглядят совершенно реалистичными. На фоне этого выдвигаются также проекты, которые можно назвать футурологическими. Они не выходят за рамки физики и нацелены на задачи, которые до сих пор относились скорее к вековым мечтам человечества и сюжетам научно-фантастической литературы. Однако пару веков назад почти все нынешние технологические достижения тоже казались несбыточной мечтой: ковры-самолеты, сапоги-скороходы, волшебные зеркала, передающие изображения из-за тридевяти земель и т. п.

Что же в этом плане предлагают НТ? Наиболее обсуждаемые идеи — космический лифт, колонизация космоса, автоматические безлюдные исследовательские аппараты и нанороботы. Осуществление этих идей предполагается в период 2020. . . 2050 годов. Серьезный анализ перспектив подобных проектов содержится в обзорах Института перспективных концепций Американского аэрокосмического агентства и Европейского космического агентства (проект Ariadna).

Космический лифт. Идея космического лифта состоит в соединении спутника, находящегося на высоте H = 37 786 км на геостационарной орбите (т. е. неподвижно относительно поверхности Земли), с некоторым пунктом на Земле посредством суперпрочного троса. По этому тросу полезный груз может подниматься на любую высоту вплоть до H с помощью тележек с электромагнитным приводом (подобно тележкам канатных дорог).

Проблема состоит в создании столь высокопрочного троса, который бы выдержал не только свой вес, но и полезную нагрузку, и динамические нагрузки от внешних воздействий. Единственный материал, теоретически удовлетворяющий этим требованиям, — нанотрубки. Однако технологии сплетания многокилометровых нитей из коротких отрезков, которые получаются при синтезе (длиной порядка нескольких микрометров или миллиметров) пока не создано. Но и каких-либо принципиальных запретов для получения длинных нитей не существует. Так что можно надеяться, что как только подходящая технология будет разработана, нанопряжа найдет широкое применение не только в космосе, но и на Земле.

Колонизация космоса. Вероятно, выход за пределы земного тяготения и полеты к звездам — самая амбициозная и фантастическая мечта человечества. Сейчас становятся реальными полеты и заселение ближайших к нам небесных тел — Луны и Марса. Их посещение планируют Американское, Европейское, Японское и Китайское космические агентства. И здесь НТ имеют большой потенциал. Первая очевидная проблема — защита экипажа и аппаратуры от жесткого космического излучения. Она может быть решена с помощью материалов и компонент, содержащих углеродные нанотрубки. Другая задача — непрерывный мониторинг состояния здоровья космонавтов, которая уже обсуждалась выше. Понятно, что при длительном пребывании в космосе и на планетах с непривычными условиями жизни эти проблемы обострятся и потребуют соответствующих решений. Например, в этих целях может быть создана специальная одежда из материалов, обеспечивающая защиту от вредных условий, самозалечивание повреждений, мониторинг состояния человека и т. п.

Автономные системы. Конечная цель при создании таких систем — получить полностью автономное устройство, способное осуществлять исследования, проводить анализ их результатов, передавать данные на Землю, взаимодействовать с другими подобными средствами, самостоятельно восстанавливаться при повреждениях и др. Такие интеллектуальные системы могут быть построены с помощью НТ на базе наносенсоров, наноэлектроники, гибридных систем на одном чипе нанодвижителей и манипуляторов, компьютерных программ искусственного интеллекта. Большинство космических агентств уже разрабатывают и тестируют подобные системы.

Нанороботы. Нанороботы — это устройства, способные к самостоятельному функционированию в сложных условиях, сбору данных, анализу физических, химических и биологических характеристик окружающей среды и собираемых образцов. Кроме того, они должны поддерживать связь с кораблем-носителем или Землей для обмена информацией и возможности управления их работой извне. Это наиболее сложные системы, содержащие самое большое количество взаимодействующих между собой подсистем. Они должны быть достаточно дешевы, чтобы их можно было посылать в больших количествах на удаленные космические тела. Примером разработок таких роботов может служить проект ANTS (Autonomous Nano Technology Swarm — автономный нанотехнологический рой), осуществляемый NASA. Он преду­сматривает создание 12 плотно упаковывающихся тетраэдров (подобно тетраэдрическим бумажным пакетам с молоком, бывшим в употреб­лении несколько лет назад), каждый из которых может вести само­стоятельные исследования после посадки на Марс. В их конструкции будут широко использованы углеродные нанотрубки.

Заключение

Подводя краткие итоги обсуждению перспектив использования ИТ в аэрокосмических исследованиях и технологиях, можно выделить следующее.

Уже имеются лабораторные разработки устройств и систем, кото­рые могут быть применены в ракетно-космической технике ближай­шего будущего. Это нанодиснерсные добавки к ракетному топливу, нанокомпозиционные функциональные и конструкционные материалы, наносенсоры и наноэлектроника. Среднесрочную перспективу имеют бионаноэлектроника, квантовые преобразователи энергии (на кванто­вых точках) и квантовые информационные системы, «умный» нанотекстиль, наносистемы жизнеобеспечения пилотируемых аппаратов и авто­номные беспилотные интеллектуальные робототехнические комплексы. В долгосрочной перспективе с помощью НТ могут быть осуществлены и футурологические проекты космический лифт, колонизация бли­жайших небесных тел, полностью автоматизированное обследование всей Солнечной системы.

Список использованных источников

1. Головин Ю. И. Наномир без формул. - 2-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. - 543 с.

2. Смолли Р. Нанотехнологии и глобальная энергетика. М.: Техносфера, 2008.- 340 с.

3. Дедков Г. В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели. УФН. 2006. – 618 с.

4. Дьячков П. Н. Электронные свойства и применение нанотрубок. 2-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 488 с.