حقائق مثيرة للاهتمام ونصائح مفيدة. مواد الفضاء المتقدمة

الصفحة الرئيسية / سابق

في غضون شهر ، سيكون الإطلاق الأول لصاروخ R-7 ، الذي تم في 15 مايو 1957 ، قبل نصف قرن بالضبط. هذا الصاروخ ، الذي لا يزال يحمله جميع رواد الفضاء لدينا ، هو انتصار غير مشروط لفكرة التصميم على المواد الهيكلية. من المثير للاهتمام أنه بعد 30 عامًا بالضبط من إطلاقه ، في 15 مايو 1987 ، تم الإطلاق الأول لصاروخ Energia ، والذي ، على العكس من ذلك ، استخدم كتلة من المواد الغريبة التي كان يتعذر الوصول إليها منذ 30 عامًا.

عندما كلف ستالين كوروليوف بمهمة نسخ V-2 ، كانت العديد من موادها جديدة على الصناعة السوفيتية آنذاك ، ولكن بحلول عام 1955 ، اختفت بالفعل المشكلات التي كان من الممكن أن تمنع المصممين من تجسيد الأفكار. بالإضافة إلى ذلك ، لم تختلف المواد المستخدمة في إنشاء صاروخ R-7 ، حتى في عام 1955 ، من حيث الجدة - بعد كل شيء ، كان من الضروري مراعاة الوقت والمال الذي تم إنفاقه في الإنتاج الضخم للصاروخ. لذلك ، أصبحت سبائك الألومنيوم المتقنة منذ فترة طويلة أساس تصميمها.

كان من المألوف أن نطلق على الألومنيوم اسم "المعدن المجنح" ، مع التأكيد على أنه إذا كان الهيكل لا ينتقل على الأرض أو على القضبان ، بل يطير ، فيجب أن يكون بالضرورة مصنوعًا من الألومنيوم. في الواقع ، هناك العديد من المعادن المجنحة ، وقد انتهى هذا التعريف منذ فترة طويلة. لا شك في أن الألمنيوم جيد ورخيص إلى حد ما ، وسبائكه قوية نسبيًا ، ويمكن معالجته بسهولة ، وما إلى ذلك. ولكن لا يمكنك بناء طائرة من الألمنيوم وحده. وفي طائرة المكبس ، تبين أن الشجرة مناسبة تمامًا (حتى في صاروخ R-7 ، توجد أقسام من الخشب الرقائقي في مقصورة الأجهزة!). بعد أن ورثت الألومنيوم من الطيران ، بدأت الصواريخ في استخدام هذا المعدن أيضًا. ولكن هنا تم الكشف عن ضيق إمكانياته.

الألومنيوم

"Winged Metal" ، المفضل لدى مصممي الطائرات. الألمنيوم النقي أخف بثلاث مرات من الفولاذ ، مطيل للغاية ، لكنه ليس قويًا جدًا.

من أجل أن تصبح مادة هيكلية جيدة ، يجب أن تصنع منها السبائك. تاريخيًا ، كان الأول هو دورالومين (دورالومين ، دورالومين ، كما نسميه غالبًا) - تم إعطاء هذا الاسم للسبيكة من قبل شركة ألمانية ، والتي اقترحتها لأول مرة في عام 1909 (من اسم مدينة دورين). تحتوي هذه السبيكة ، بالإضافة إلى الألومنيوم ، على كميات صغيرة من النحاس والمنغنيز ، مما يزيد بشكل حاد من قوتها وصلابتها. لكن دورالومين له أيضًا عيوب: لا يمكن لحامه ويصعب ختمه (المعالجة الحرارية مطلوبة). تكتسب القوة الكاملة بمرور الوقت ، وقد سميت هذه العملية "بالشيخوخة" ، وبعد المعالجة الحرارية ، يجب أن تصبح السبيكة قديمة من جديد. لذلك ، ترتبط الأجزاء منه بالمسامير والبراغي.

في الصواريخ ، يكون مناسبًا فقط للمقصورات "الجافة" - لا يضمن الهيكل المُثبت ببرشام إحكامًا تحت الضغط. السبائك التي تحتوي على المغنيسيوم (عادة لا تزيد عن 6٪) يمكن أن تتشوه وتلحم. هم الأكثر من ذلك كله على صاروخ R-7 (على وجه الخصوص ، كل الدبابات مصنوعة منهم).

كان لدى المهندسين الأمريكيين تحت تصرفهم سبائك ألمنيوم أكثر متانة تحتوي على ما يصل إلى عشرة مكونات مختلفة. لكن أولاً وقبل كل شيء ، كانت سبائكنا أدنى من تلك الموجودة في الخارج من حيث مجموعة الخصائص. من الواضح أن العينات المختلفة قد تختلف قليلاً في التركيب ، وهذا يؤدي إلى اختلاف في الخواص الميكانيكية. في التصميم ، غالبًا ما يتعين على المرء ألا يعتمد على متوسط القوة ، ولكن على الحد الأدنى ، أو المضمون ، والذي يمكن أن يكون أقل من المتوسط في سبائكنا بشكل ملحوظ.

في الربع الأخير من القرن العشرين ، أدى التقدم في علم المعادن إلى ظهور سبائك الألومنيوم والليثيوم. إذا كانت الإضافات للألمنيوم قبل ذلك تهدف فقط إلى زيادة القوة ، فإن الليثيوم جعل من الممكن جعل السبيكة أخف وزنًا بشكل ملحوظ. صُنع خزان الهيدروجين الخاص بصاروخ Energia من سبيكة من الألومنيوم والليثيوم ، كما صُنعت منه خزانات المكوك الآن.

أخيرًا ، أكثر المواد غرابة القائمة على الألمنيوم هي مركب بورال الألمنيوم ، حيث يلعب الألمنيوم نفس دور راتنجات الإيبوكسي في الألياف الزجاجية: فهو يجمع ألياف البورون عالية القوة معًا. بدأت هذه المادة للتو في إدخالها إلى رواد الفضاء المحليين - وقد تم صنع دعامة منها بين خزانات أحدث تعديل للمرحلة العليا DM-SL المستخدمة في مشروع Sea Launch. أصبح اختيار المصمم أكثر ثراءً على مدار الخمسين عامًا الماضية. ومع ذلك ، كان الألمنيوم ، آنذاك والآن ، هو المعدن الأول في الصاروخ. لكن ، بالطبع ، هناك عدد من المعادن الأخرى ، التي بدونها لا يمكن للصاروخ أن يطير.

أكثر المعادن أناقة في عصر الفضاء. خلافًا للاعتقاد الشائع ، لا يستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في صناعة الصواريخ - تستخدم سبائك التيتانيوم بشكل أساسي لصنع أسطوانات غاز عالية الضغط (خاصة للهيليوم). تصبح سبائك التيتانيوم أقوى عند وضعها في خزانات الأكسجين السائل أو الهيدروجين السائل ، مما يؤدي إلى انخفاض الوزن. على متن المركبة الفضائية TKS ، التي لم تطير أبدًا مع رواد الفضاء ، تم دفع آليات الالتحام بالهواء المضغوط ، وتم تخزين الهواء في عدة بالونات تيتانيوم سعة 36 لترًا بضغط عمل يبلغ 330 ضغطًا جويًا. تزن كل أسطوانة 19 كجم. هذا ما يقرب من خمس مرات أخف من أسطوانة اللحام القياسية بنفس السعة ، ولكنها مصنفة بنصف الضغط!

حديد

عنصر لا غنى عنه في أي هياكل هندسية. الحديد ، على شكل مجموعة متنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي القوة ، هو ثاني أكثر المعادن استخدامًا في الصواريخ. عندما لا يتم توزيع الحمل على هيكل كبير ، ولكن يتم تركيزه عند نقطة أو عدة نقاط ، يتفوق الفولاذ على الألمنيوم. الفولاذ أكثر صلابة - الهيكل المصنوع من الفولاذ ، والذي يجب ألا تطفو أبعاده تحت الحمل ، يكون دائمًا أكثر إحكاما وأحيانًا أخف من الألمنيوم. يتحمل الفولاذ الاهتزاز بشكل أفضل بكثير ، وهو أكثر تسامحًا مع التسخين ، والصلب أرخص ، باستثناء الدرجات الأكثر غرابة ، فالصلب ، بعد كل شيء ، مطلوب لمنشأة الإطلاق ، والتي بدونها صاروخ - حسنًا ، كما تعلم ...

لكن يمكن أيضًا أن تكون خزانات الصاروخ مصنوعة من الفولاذ. رائع؟ نعم. ومع ذلك ، فإن أول صاروخ أمريكي من طراز أطلس يستخدم خزانات ذات جدران رقيقة من الفولاذ المقاوم للصدأ. من أجل أن يتفوق الصاروخ الفولاذي في الأداء على صاروخ الألومنيوم ، كان لا بد من تغيير الكثير بشكل جذري. كان سمك جدران الخزانات بالقرب من حجرة المحرك 1.27 ملم (1/20 بوصة) ، واستخدمت الألواح الرقيقة أعلى ، وفي أعلى خزان الكيروسين ، كان سمكها 0.254 ملم فقط (0.01 بوصة). ومعزز الهيدروجين Centaur ، المصنوع وفقًا لنفس المبدأ ، له جدار بسماكة شفرة الحلاقة - 0.127 ملم!

سوف ينهار مثل هذا الجدار الرقيق حتى تحت ثقله ، لذلك يحافظ على شكله فقط بسبب الضغط الداخلي: منذ لحظة التصنيع ، يتم إغلاق الخزانات وتضخيمها وتخزينها عند ضغط داخلي متزايد. أثناء عملية التصنيع ، يتم دعم الجدران بحوامل خاصة من الداخل. أصعب مرحلة في هذه العملية هي لحام الجزء السفلي بالجزء الأسطواني. كان من الضروري إكمالها في مسار واحد ، ونتيجة لذلك ، قامت عدة فرق من عمال اللحام ، زوجان لكل منهما ، بعملها لمدة ستة عشر ساعة ؛ استبدلت الكتائب بعضها البعض في أربع ساعات. في هذه الحالة ، يعمل أحد الزوجين داخل الخزان.

ليست مهمة سهلة ، بالتأكيد. لكن على هذا الصاروخ ، دخل الأمريكي جون جلين المدار لأول مرة. وبعد ذلك كان لها تاريخ مجيد وطويل ، ولا يزال كتلة القنطور يطير حتى يومنا هذا. بالمناسبة ، في V-2 ، كان الهيكل أيضًا من الفولاذ - تم التخلي عن الفولاذ تمامًا فقط على صاروخ R-5 ، حيث تبين أن الهيكل الفولاذي غير ضروري بسبب الرأس الحربي القابل للفصل. ما نوع المعدن الذي يمكن وضعه في المرتبة الثالثة من حيث الصاروخية؟ قد تبدو الإجابة واضحة. التيتانيوم؟ اتضح لا على الإطلاق.

نحاس

المعدن الأساسي للهندسة الكهربائية والحرارية. أليس غريبا؟ ثقيل جدًا ، وليس قويًا جدًا ، مقارنة بالفولاذ - منخفض الانصهار ، ناعم ، مقارنة بالألمنيوم - معدن باهظ الثمن ، ولكن مع ذلك لا يمكن الاستغناء عنه.

يتعلق الأمر كله بالموصلية الحرارية الوحشية للنحاس - فهي أكثر بعشر مرات من الفولاذ الرخيص وأربعين مرة أكثر من الفولاذ المقاوم للصدأ باهظ الثمن. يخسر الألمنيوم أيضًا النحاس في التوصيل الحراري ، وفي نفس الوقت في درجة حرارة الانصهار. وهذه الموصلية الحرارية المجنونة ضرورية في قلب الصاروخ - في محركه. يتكون الجدار الداخلي للمحرك الصاروخي من النحاس ، وهو الجدار الذي يحبس حرارة قلب الصاروخ البالغة ثلاثة آلاف درجة. لمنع الجدار من الذوبان ، فهو مصنوع من المركب - الخارجي ، الصلب ، يحمل أحمالًا ميكانيكية ، والداخلي ، نحاسي ، يأخذ الحرارة.

في فجوة رقيقة بين الجدران ، يوجد تدفق للوقود يتجه من الخزان إلى المحرك ، ثم يتبين أن النحاس يتفوق على الفولاذ: الحقيقة هي أن درجات حرارة الانصهار تختلف بمقدار الثلث ، لكن الموصلية الحرارية هي كثير من المرات. لذلك سوف يحترق الجدار الفولاذي قبل النحاس. يظهر اللون "النحاسي" الجميل لفوهات محركات R-7 بوضوح في جميع الصور وفي التقارير التلفزيونية حول إطلاق الصواريخ.

في محركات الصاروخ R-7 ، الجدار الداخلي "الناري" ليس مصنوعًا من النحاس النقي ، ولكن من برونز الكروم الذي يحتوي على 0.8٪ فقط من الكروم. هذا يقلل إلى حد ما من التوصيل الحراري ، ولكن في نفس الوقت يزيد من درجة حرارة التشغيل القصوى (مقاومة الحرارة) ويجعل الحياة أسهل بالنسبة للتقنيين - النحاس النقي شديد اللزوجة ، ومن الصعب قطعه ، ومن الضروري على الغلاف الداخلي قم بطحن الضلوع التي يتم توصيلها بها بالجزء الخارجي. سمك الجدار البرونزي المتبقي هو ملليمتر فقط ، والضلوع بنفس السماكة ، والمسافة بينهما حوالي 4 ملليمترات.

كلما انخفض دفع المحرك ، كانت ظروف التبريد أسوأ - يكون استهلاك الوقود أقل ، وتكون مساحة السطح النسبية أعلى بالمقابل. لذلك ، في المحركات منخفضة الدفع المستخدمة في المركبات الفضائية ، من الضروري استخدام التبريد ليس فقط للوقود ، ولكن أيضًا لعامل مؤكسد - حمض النيتريك أو رباعي أكسيد النيتروجين. في مثل هذه الحالات ، يجب أن يكون الجدار النحاسي للحماية مطليًا بالكروم على الجانب الذي يتدفق فيه الحمض. ولكن حتى هذا يجب الاستسلام له ، لأن المحرك بجدار النار النحاسي أكثر كفاءة.

لكي نكون منصفين ، دعنا نقول أن المحركات ذات الجدار الداخلي الصلب موجودة أيضًا ، لكن معاييرها ، للأسف ، أسوأ بكثير. وهي ليست مجرد قوة أو قوة دفع ، لا ، المعلمة الرئيسية لإتقان المحرك - الدافع المحدد - في هذه الحالة يصبح أقل بمقدار الربع ، إن لم يكن بمقدار الثلث. بالنسبة للمحركات "المتوسطة" ، تبلغ مدتها 220 ثانية ، وللحركات الجيدة - 300 ثانية ، وللحركات "الرائعة والمتطورة" الأكثر شهرة ، والتي يوجد منها ثلاثة خلف المكوك ، - 440 ثانية. صحيح أن المحركات ذات الجدار النحاسي لا تدين بهذا إلى حد الكمال في التصميم بقدر ما تدين بالهيدروجين السائل. محرك الكيروسين ، حتى من الناحية النظرية ، لا يمكن صنعه على هذا النحو. ومع ذلك ، جعلت سبائك النحاس من الممكن "الضغط" من وقود الصواريخ بنسبة تصل إلى 98٪ من كفاءتها النظرية.

فضة

معدن ثمين عرفه الجنس البشري منذ القدم. معدن لا يمكنك الاستغناء عنه في أي مكان. مثل مسمار لم يتم العثور عليه في الحداد في قصيدة شهيرة ، فهو يحمل كل شيء على عاتقه. إنه هو الذي يربط النحاس بالفولاذ في محرك صاروخي يعمل بالوقود السائل ، وربما يظهر هذا جوهره الغامض. لا علاقة لأي من مواد البناء الأخرى بالتصوف - فالقطار الغامض يتخلف حصريًا عن هذا المعدن لعدة قرون. وهكذا كان استخدامه على مدار التاريخ من قبل الإنسان ، أطول بكثير من استخدام النحاس أو الحديد. ماذا يمكن أن نقول عن الألمنيوم ، الذي اكتشف فقط في القرن التاسع عشر ، وأصبح رخيصًا نسبيًا حتى في وقت لاحق - في القرن العشرين.

طوال سنوات الحضارة الإنسانية ، كان لهذا المعدن الاستثنائي عدد كبير من الاستخدامات ومجموعة متنوعة من المهن. نُسبت إليها العديد من الخصائص الفريدة ، ولم يستخدمها الناس فقط في أنشطتهم التقنية والعلمية ، ولكن أيضًا في السحر. على سبيل المثال ، كان يعتقد لفترة طويلة أن "كل أنواع الأرواح الشريرة تخاف منه".

كان العيب الرئيسي لهذا المعدن هو تكلفته المرتفعة ، والتي بسببها كان لا بد من إنفاقه باعتدال ، وبشكل أكثر دقة ، وعقلانية - كما هو مطلوب في التطبيق التالي ، الذي اخترعه أناس قلقون. عاجلاً أم آجلاً ، تم العثور على بعض البدائل له ، والتي أدت إلى إزاحته بمرور الوقت ، بنجاح أو أقل.

اليوم ، أمام أعيننا عمليًا ، يختفي من هذا المجال الرائع للنشاط البشري مثل التصوير الفوتوغرافي ، الذي جعل حياتنا أكثر روعة على مدى قرن ونصف تقريبًا ، وأصبحت السجلات أكثر موثوقية. وقبل خمسين عامًا (أو نحو ذلك) ، بدأ يفقد قوته في واحدة من أقدم الحرف - سك العملات المعدنية. بالطبع ، لا تزال العملات المعدنية من هذا المعدن تُنتج اليوم - ولكن حصريًا من أجل الترفيه لدينا: لقد توقفت منذ فترة طويلة عن كونها نقودًا وتحولت إلى منتج هدايا وتحصيل.

ربما ، عندما يخترع الفيزيائيون النقل الآني ولم تعد هناك حاجة لمحركات الصواريخ ، ستأتي الساعة الأخيرة ومجال آخر من تطبيقه. ولكن حتى الآن ، لم يكن من الممكن العثور على بديل مناسب له ، ولا يزال هذا المعدن الفريد لا مثيل له في صناعة الصواريخ - تمامًا كما هو الحال في البحث عن مصاصي الدماء.

ربما خمنت بالفعل أن كل ما سبق ينطبق على الفضة. من وقت GIRD وحتى الآن ، الطريقة الوحيدة لتوصيل أجزاء من غرفة الاحتراق لمحركات الصواريخ هي اللحام بالنحاس مع جنود الفضة في فرن مفرغ أو في غاز خامل. محاولات العثور على جنود غير الفضة لهذا الغرض قد باءت بالفشل حتى الآن. في بعض المناطق الضيقة ، يمكن أحيانًا حل هذه المشكلة - على سبيل المثال ، يتم الآن إصلاح الثلاجات باستخدام لحام النحاس والفوسفور - ولكن لا يوجد بديل للفضة في المحركات التي تعمل بالوقود السائل. في غرفة الاحتراق لمحرك كبير يعمل بالوقود السائل ، يصل محتواه إلى مئات الجرامات ، وأحيانًا يصل إلى كيلوغرام.

تسمى الفضة معدنًا ثمينًا بدلاً من كونها تعود إلى جيل الألفية ؛ فهناك معادن لا تعتبر ثمينة ، ولكنها أغلى بكثير من الفضة. خذ البريليوم ، على سبيل المثال. هذا المعدن أغلى بثلاث مرات من الفضة ، لكنه يستخدم أيضًا في المركبات الفضائية (وإن لم يكن في الصواريخ). يُعرف في المقام الأول بقدرته على إبطاء وعكس النيوترونات في المفاعلات النووية. تم استخدامه فيما بعد كمادة هيكلية.

طبعا يستحيل حصر كل المعادن التي يمكن تسميتها بالاسم "المجنح" ، ولا داعي لذلك. لقد تم كسر احتكار المعادن التي كانت موجودة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي بواسطة الزجاج والبلاستيك المقوى بألياف الكربون. تؤدي التكلفة العالية لهذه المواد إلى إبطاء انتشارها في الصواريخ ذات الاستخدام الواحد ، ولكن يتم إدخالها في الطائرات على نطاق أوسع. توجد بالفعل هياكل الحمولة CFRP وفوهات CFRP للمحرك ذات المرحلة العليا وتتنافس ببطء مع الأجزاء المعدنية. ولكن ، كما هو معروف من التاريخ ، كان الناس يعملون في المعادن منذ حوالي عشرة آلاف عام ، وليس من السهل العثور على بديل مكافئ لهذه المواد.

في السنوات الأخيرة ، أصبح الفضاء مرة أخرى هو ما يتم الحديث عنه بشكل متزايد. يتحدثون عنه في كل مكان - في الأخبار ، في الصحف ، في الراديو ، وفي النهاية ، في المنزل فقط في المطبخ. والجدير بالذكر أنهم يقولون إن الأمر ليس عبثًا. لقد أولت البشرية مرة أخرى اهتمامًا وثيقًا للسماء وتحاول بالتأكيد الوصول إلى الكواكب المجاورة ، إن لم يكن النجوم. ومع ذلك ، إذا اعتقد شخص ما أننا سنتحدث اليوم عن شيء فلكي ، فهو مخطئ ، وسنتحدث قليلاً عن شيء آخر ، عن المعادن والسبائك.

أعتقد أنه لا توجد حاجة للتذكير مرة أخرى بمدى أهمية إنجازات علماء المعادن في تطوير برنامج الفضاء للبشرية. ولكن للحديث عن حقيقة أن إتقان الفضاء ، فإن الفرص التكنولوجية الجديدة تفتح أمام علم المعادن ، ليس فقط ممكنًا ، ولكنه ضروري أيضًا. ما هي الفرص التي نتحدث عنها؟ نعم ، كل شيء واضح على أي حال - في الجاذبية الصفرية ، ليس فقط عمليات تغيير تدفق السوائل ، ولكن أيضًا عمليات نقل الحرارة ، وبالتالي ، أصبح من الممكن استخدام طرق جديدة غير مختبرة مسبقًا للحصول على المواد المعدنية ومعالجتها.

لذلك ، على سبيل المثال ، تحت تأثير التوتر السطحي ، يأخذ الذوبان شكل كرة ويتدلى بحرية في الفضاء. كما أظهرت الدراسات السوفيتية والأمريكية في ذلك الوقت ، فإن المعدن المنصهر (النحاس) ، في 3 ثوانٍ ، يتحول إلى كرة قطرها 10 سنتيمترات. ومع ذلك ، ليس هذا هو الشيء المثير للاهتمام ، ولكن حقيقة أن المعدن نتيجة لذلك ليس ملوثًا بأي شوائب ، وهو أمر مستحيل عمليًا في ظل الظروف الأرضية.

بعد ذلك ، يتم إعطاء الكرة الناتجة الشكل المطلوب باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية. تجربة أخرى للأمريكيين مثيرة للاهتمام ، وبفضلها كان من الممكن اكتشاف أنه في الفضاء السحيق تتبخر بعض المواد ببساطة. هذه هي سبائك الكادميوم والزنك والمغنيسيوم. وكانت أكثر المعادن مقاومة هي التنجستن ، والصلب ، والبلاتين ، والمثير للدهشة ، التيتانيوم.

في الواقع ، إنه التيتانيوم الذي يستحق الاهتمام أكثر من أي شيء آخر. الحقيقة هي أن التيتانيوم هو أحد أهم المواد الإنشائية اليوم. هذا يرجع في المقام الأول إلى الجمع بين خفة هذا المعدن والقوة والصمود. لا يخفى على أحد أن التيتانيوم قد استخدم لإنشاء مجموعة متنوعة من السبائك عالية القوة للطيران وبناء السفن وصناعة الصواريخ. على سبيل المثال ، تتمتع سبيكة التيتانيوم والنيكل بخاصية مثيرة للاهتمام للغاية ، والتي "تتذكر" شكلها حرفياً. وإذا كان من الممكن ضغط منتج مصنوع من هذه السبيكة في البرد إلى كرة صغيرة ، فعند تسخينها ، تستعيد المادة مظهرها الأصلي.

تعلم المزيد والمزيد عن خصائص المعدن في الفضاء وتعلم إمكانيات معدنية جديدة في الحصول على المسبوكات ، يتقدم بعض رجال الأعمال في حججهم ، ليس فقط في الكلمات. ذكر كتاب الخيال العلمي مثل إسحاق أسيموف أيضًا في أعمالهم تنفيذ التعدين ليس من أرضهم الأصلية ، ولكن من الكويكبات. تمت رعاية هذه الفكرة ومناقشتها لفترة طويلة ، مع الأخذ في الاعتبار أن التعدين في الفضاء من الواضح أنه ليس عملاً مربحًا. ومع ذلك ، هناك الكثير من الناس ، الكثير من الآراء ، لذلك منذ عام مضى حرفيًا ، تم إطلاق برنامج فضاء جديد لصندوق X-Prize ، بقيادة بيتر ديامانديز ، الذي يعتقد أن هناك فائدة. وحتى إذا لم تخطط X-Prize للانخراط على الفور في تعدين المعادن ، فقد تصبح رائدة حقيقية. يمكنك قراءة المزيد عن فكرة ديامانديز بالنقر هنا.

أندري سوفوروف
أبريل 2007

ما هي المواد المستخدمة لبناء سفن الفضاء التي تحرث مساحات الكون التي لا نهاية لها.

كان من المألوف أن نطلق على الألومنيوم اسم "المعدن المجنح" ، مع التأكيد على أنه إذا كان الهيكل لا ينتقل على الأرض أو على القضبان ، بل يطير ، فيجب أن يكون بالضرورة مصنوعًا من الألومنيوم. في الواقع ، هناك العديد من المعادن المجنحة ، وقد انتهى هذا التعريف منذ فترة طويلة. ليس هناك شك في أن الألمنيوم جيد ، ورخيص الثمن ، وسبائكه قوية نسبيًا ، ويمكن معالجته بسهولة ، وما إلى ذلك. لكن لا يمكنك بناء طائرة من الألمنيوم وحده. وفي طائرة المكبس ، تبين أن الشجرة مناسبة تمامًا (حتى في صاروخ R-7 ، توجد أقسام من الخشب الرقائقي في مقصورة الأجهزة!). بعد أن ورثت الألومنيوم من الطيران ، بدأت الصواريخ في استخدام هذا المعدن أيضًا. ولكن هنا تم الكشف عن ضيق إمكانياته.

الألومنيوم

أصبح اختيار المصمم أكثر ثراءً على مدار الخمسين عامًا الماضية. ومع ذلك ، كان الألمنيوم ، آنذاك والآن ، هو المعدن الأول في الصاروخ. لكن ، بالطبع ، هناك عدد من المعادن الأخرى ، التي بدونها لا يمكن للصاروخ أن يطير.

حديد

عنصر لا غنى عنه في أي هياكل هندسية. الحديد ، على شكل مجموعة متنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي القوة ، هو ثاني أكثر المعادن استخدامًا في الصواريخ.

عندما لا يتم توزيع الحمل على هيكل كبير ، ولكن يتم تركيزه عند نقطة أو عدة نقاط ، يتفوق الفولاذ على الألمنيوم.

الفولاذ أكثر صلابة - الهيكل المصنوع من الفولاذ ، والذي يجب ألا تطفو أبعاده تحت الحمل ، يكون دائمًا أكثر إحكاما وأحيانًا أخف من الألمنيوم. يتحمل الفولاذ الاهتزاز بشكل أفضل ، ويكون أكثر تسامحًا مع التسخين ، والصلب أرخص ، باستثناء الدرجات الأكثر غرابة ، فالصلب ، بعد كل شيء ، مطلوب لمنشأة الإطلاق ، والتي بدونها صاروخ - حسنًا ، كما تعلم ...

سوف ينهار مثل هذا الجدار الرقيق حتى تحت ثقله ، لذلك يحافظ على شكله فقط بسبب الضغط الداخلي: منذ لحظة التصنيع ، يتم إغلاق الخزانات وتضخيمها وتخزينها عند ضغط داخلي متزايد.

أثناء عملية التصنيع ، يتم دعم الجدران بحوامل خاصة من الداخل. أصعب مرحلة في هذه العملية هي لحام الجزء السفلي بالجزء الأسطواني. كان من الضروري إكمالها في مسار واحد ، ونتيجة لذلك ، قامت عدة فرق من عمال اللحام ، زوجان لكل منهما ، بعملها لمدة ستة عشر ساعة ؛ استبدلت الكتائب بعضها البعض في أربع ساعات. في هذه الحالة ، يعمل أحد الزوجين داخل الخزان.

ما هو نوع المعدن الذي يمكن وضعه في المرتبة الثالثة "بالصواريخ"؟ قد تبدو الإجابة واضحة. التيتانيوم؟ اتضح لا على الإطلاق.

نحاس

فضة

معدن ثمين عرفه الجنس البشري منذ القدم. معدن لا يمكنك الاستغناء عنه في أي مكان. مثل مسمار لم يتم العثور عليه في الحداد في قصيدة شهيرة ، فهو يحمل كل شيء على عاتقه.

إنه هو الذي يربط النحاس بالفولاذ في محرك صاروخي يعمل بالوقود السائل ، وربما يظهر هذا جوهره الغامض. لا علاقة لأي من مواد البناء الأخرى بالتصوف - فالقطار الغامض يتخلف حصريًا عن هذا المعدن لعدة قرون. وهكذا كان استخدامه على مدار التاريخ من قبل الإنسان ، أطول بكثير من استخدام النحاس أو الحديد. ماذا يمكن أن نقول عن الألمنيوم ، الذي اكتشف فقط في القرن التاسع عشر ، وأصبح رخيصًا نسبيًا حتى في وقت لاحق - في القرن العشرين.

تسمى الفضة معدنًا ثمينًا بدلاً من عادة عمرها ألف عام ؛ هناك معادن لا تعتبر ثمينة ، ولكنها تكلف أكثر بكثير من الفضة. خذ البريليوم ، على سبيل المثال. هذا المعدن أغلى بثلاث مرات من الفضة ، لكنه يستخدم أيضًا في المركبات الفضائية (وإن لم يكن في الصواريخ). يُعرف في المقام الأول بقدرته على إبطاء وعكس النيوترونات في المفاعلات النووية. تم استخدامه فيما بعد كمادة هيكلية.

ولكن ، كما هو معروف من التاريخ ، كان الناس يعملون في المعادن منذ حوالي عشرة آلاف عام ، وليس من السهل العثور على بديل مكافئ لهذه المواد.

سبائك التيتانيوم والتيتانيوم

أكثر المعادن أناقة في عصر الفضاء.

خلافًا للاعتقاد الشائع ، لا يستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في صناعة الصواريخ - تستخدم سبائك التيتانيوم بشكل أساسي لصنع أسطوانات غاز عالية الضغط (خاصة للهيليوم). تصبح سبائك التيتانيوم أقوى عند وضعها في خزانات الأكسجين السائل أو الهيدروجين السائل ، مما يؤدي إلى انخفاض الوزن. على متن المركبة الفضائية TKS ، التي لم تطير أبدًا مع رواد الفضاء ، تم دفع آليات الالتحام بالهواء المضغوط ، وتم تخزين الهواء في عدة بالونات تيتانيوم سعة 36 لترًا بضغط عمل يبلغ 330 ضغطًا جويًا. تزن كل أسطوانة 19 كجم. هذا ما يقرب من خمس مرات أخف من أسطوانة اللحام القياسية بنفس السعة ، ولكنها مصنفة بنصف الضغط!

لا يفكر الكثير منا حتى في عدد الحقائق المثيرة للاهتمام التي لا نعرفها عن المعادن. اليوم مقال آخر يخبرك عن الخصائص غير العادية للمعادن. بادئ ذي بدء ، نود إخباركم بالاكتشاف المذهل الذي تم بفضل رحلات الفضاء المأهولة.

لذلك ، يحتوي الغلاف الجوي للأرض على كمية كبيرة من الأكسجين يتفاعل معها المعدن. يتكون ما يسمى بغشاء أكسيد على سطح المعدن. هذا الفيلم يحمي المعادن من التأثيرات الخارجية. ولكن إذا أخذت قطعتين من المعدن في الفضاء وربطتهما ببعضهما البعض ، فإنهما يلتصقان ببعضهما على الفور ، ويشكلان قطعة متجانسة. عادة ما يستخدم رواد الفضاء أداة مغطاة بطبقة رقيقة من البلاستيك. في الفضاء ، يمكنك ببساطة استخدام المعادن المؤكسدة المأخوذة من الأرض.

الحديد في الكون

في تربة الأرض ، المعدن الأكثر شيوعًا هو الألومنيوم ، ولكن إذا أخذت الكوكب بأكمله ، فإن الحديد سيأخذ الصدارة. إن الحديد هو الذي يشكل أساس لب الأرض. على مستوى الكون ، يحتل الحديد المرتبة الرابعة من حيث الشعبية.

أغلى معدن في الطبيعة هو الروديوم. يكلف الجرام حوالي 175 ألف دولار. لكن أغلى معدن تم الحصول عليه في المختبر هو كاليفورنيوم 252. وسيكلف غرام واحد من هذا المعدن 6.5 مليون دولار. بطبيعة الحال ، هناك مفاعلات لإنتاج مثل هذا المعدن فقط في الدول الغنية - الولايات المتحدة وروسيا. اليوم ، لا يوجد أكثر من 5 جرامات من هذا المعدن على الأرض.

يستخدم الكالسيوم 252 على نطاق واسع في الطب لعلاج السرطان. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام الكاليفورنيوم في الصناعة لتحديد جودة اللحامات. يمكن استخدام الكاليفورنيوم عند بدء المفاعلات ، في الجيولوجيا للكشف عن المياه الجوفية.

بالتأكيد قريبًا جدًا ، سيبدأ استخدام كاليفورنيا في صناعة الفضاء.

لقد تم تجديد ترسانة القدرات البشرية بتقنيات مذهلة وغير عادية بالفعل. ذات مرة كانت الأجهزة الأولى من عمل في الكهرباء:

جعل حياتنا مريحة ، وتبسيط عمل العديد من الأجهزة الآلية ،
يمتلك فقط مجموعة أساسية من الوظائف ، لكنه بدا اختراعات معقدة بشكل غير عادي ،
أصبحت ابتكارات عصرهم ، مما سمح للإنسان بالسعي وراء الاختراعات الجديدة.

بعد الاستيلاء على الفضاء اللامتناهي ، وصل تطور التكنولوجيا إلى مستوى جديد تمامًا. أتاح الاستثمار إمكانية بناء أولى المحطات المتخصصة في إنتاج المعادن مباشرة على سطح الكويكبات.

تحولت المحطات إلى ما يسمى بمصانع صغيرة مؤتمتة بالكامل. لم يقوموا بمعالجة المكونات المستلمة أثناء التنقل ، لكنهم قاموا بفرز المواد وفقًا لقيمتها ومدى ملاءمتها للاستخدام الإضافي. كان هذا القرار معقولًا تمامًا ، لأنه يمكن أيضًا توفير المعالجة عن طريق تقنيات أبسط منتشرة على هذا الكوكب.

كان على الروبوتات أن تتطور بشكل أسرع من أجل مواكبة الاختراعات الفضائية الأخرى. الأفكار المستندة إلى الأدوات الحديثة الموجودة ساعدت هنا. لذلك ، تميزت الروبوتات بحركات سلسة وواجهة يتم التحكم فيها بالكامل والعديد من المزايا الأخرى.

أصبح إيصال الموارد إلى كوكبنا أسهل أيضًا. هذا ما تؤكده أحدث الرحلات الاستكشافية. المعادن الناتجة هي النتيجة. حصل العلماء عليها سليمة ، سليمة عمليًا ، حتى أثناء الاستخراج ، عينات من معظم المعادن المهمة لتطوير علم المعادن بشكل عام.

الكويكبات - مصدر لتعدين المعادن!

يفكر العلماء بجدية في كيفية إنشاء التعدين. من الأنسب القيام بذلك بالقرب من المصدر ، أي مباشرة على سطح الكويكبات.

إن تطوير الكويكبات ، مع الفرص اللاحقة لتنظيم العمل الفعال على تنميتها ، هو المهمة الرئيسية للإنتاج الحديث. ستضمن مثل هذه المشاريع تلقي موارد مختلفة الطيف والغرض. هناك اسم خاص - التطور الصناعي ، والذي يميز عملية الحصول على فوائد من دراسة الأشياء التي لم يتم استكشافها بعد في الفضاء.

ليست الكويكبات فقط مناسبة لجميع الأعمال اللازمة لاستخراج المعادن والمواد المماثلة الأخرى. توجد ملايين الأجسام الفضائية بالقرب نسبيًا من الأرض. وإذا أخذنا في الاعتبار الطول الكبير لحزام الكويكبات ، فإن إمدادات المواد على كوكبنا ستكون كافية لعدة مئات من السنين. بعض الأجسام الفضائية مناسبة أيضًا لتعدين المعادن ، دون الإضرار بمصادر المعادن والمواد المفيدة.

تتشكل المعادن باهظة الثمن مثل التيتانيوم والنيكل بشكل طبيعي في مناطق ملائمة من سطح الأرض. لم يكن الفضاء استثناءً ، حيث قدم للعلماء فرصًا جديدة للعمل.

غالبًا ما يوجد الحديد بين مجموعة متنوعة من المواد الموجودة في صخور الكويكبات. من ناحية ، يمكن العثور عليها بكميات كبيرة بما يكفي على كوكبنا.

لكن أي نوع من المعادن ، حتى الأكثر انتشارًا على وجه الأرض ، يمثل أساسًا لتطوير الصناعات على مستوى الحكومة. لكن هذه المصادر ليست أبدية ، لذا يجب أن تفكر الآن في إيجاد فرص جديدة وبديلة لاستخراج الموارد. في هذا الصدد ، لا حدود للمساحة:

للباحثين الذين يأخذون عينات من الصخور للعثور على أماكن غنية بالمعادن.
من حيث إتقان خصائص العناصر غير المكتشفة سابقًا ،
كعنصر مساعد للإنتاج.

حتى أن بعض العلماء وضعوا افتراضًا حول فوائد دراسة الكويكبات من حيث تكوينها. يقال أن الكويكبات تحتوي على جميع العناصر الضرورية التي يمكن أن تساهم في إنتاج الماء والأكسجين.

أيضًا ، فإن مخاليط المواد الموجودة في تكوين صخور الكويكب مشبعة بمكونات يمكن حتى استخراج الهيدروجين منها. وهذه بالفعل مساعدة جادة ، لأن هذا المكون هو "المكون" الرئيسي لوقود الصواريخ.

لكن هذه الصناعة لا تزال صناعة شابة غير مستكشفة. يتطلب إنشاء إنتاج بمستوى مماثل:

في استثمارات إضافية ،
الاستثمار المختص للأموال مباشرة في إنتاج التقنيات الجديدة ،
استقطاب المساعدة من الصناعات الأخرى المتخصصة في المعالجة الإضافية للمعادن.

سيؤدي العمل المنظم جيدًا ، والذي سيتم تعديله على جميع مستويات الإنتاج اللاحقة ، إلى تقليل التكاليف الإضافية ، على سبيل المثال ، وقود الصواريخ ، أو شحن الروبوتات ، وبالتالي زيادة الدخل الإجمالي.

الكويكبات كنز دفين من المعادن النادرة!

أصبحت سياسة التسعير لمثل هذه المشاريع ببساطة غير واقعية. كويكب واحد ، حتى لو كان صغير الحجم نسبيًا ، هو مجرد هبة من السماء للتقنيين والعلماء المعاصرين. يمكن للروبوتات ، في بعض الحالات ، تحديد طبقة الصخور التي تفصل بينها وبين الاكتشاف المطلوب.

المبالغ ، وتقريبًا تقدر بالمليارات. لذلك ، فإن جميع التكاليف ستبرر نفسها بالتأكيد ، وعدة مرات. يذهب الربح المحصل من العمل المنجز لاستخراج المعادن إلى معالجتها الإضافية.

يتم تقديم معظم العناصر في شكلها النقي. لكن بالنسبة للبعض ، ستكون مشاركة الحلول والمخاليط المساعدة التي تحول المواد إلى الحالة المرغوبة مطلوبة. من الصعب تصديق ذلك ، ولكن يوجد معدن ثمين مثل الذهب بكميات كافية للتعدين.

إنهم لا يعرفون أن معظم الذهب الموجود في الطبقات العليا من الأرض هو نوع من آثار الكويكبات التي سقطت ذات مرة. مع مرور الوقت ، تغير الكوكب والظروف المناخية عليها ، وتغيرت التربة ، وتمكنت بقايا الكويكبات من الحفاظ على المعادن القيمة الموجودة فيها.

ساهمت أمطار الكويكبات في حقيقة أن المواد الثقيلة ، بما في ذلك المعادن ، تخضع لقوة الجاذبية ، وتغرق بالقرب من قلب الكوكب. تطورهم أصبح صعبا. وبدلاً من ذلك ، اقترح العلماء أنه من الأنسب الاستثمار في العمل مع الكويكبات ، على غرار الطريقة التي يتم بها التعدين على الأرض.

مستقبل التكنولوجيا في الفضاء!

لقد أوصل التطور الإنسان إلى ذروة تطوره ، وأعطاه العديد من الاختراعات المختلفة. لكن موضوع الفضاء لا يزال غير مكشوف بالكامل. تخيل مقدار المال الذي ستستغرقه أعمال التعدين على سطح الكويكب نفسه.

العامل الآخر الذي ظل هذا المشروع بسببه نظريًا لفترة طويلة هو المشكلة الناشئة عن تسليم شحنة تحتوي على معادن إلى الأرض. قد يستغرق مثل هذا الإجراء وقتًا طويلاً حتى أن التطوير نفسه قد يصبح غير ذي صلة ومكلف للغاية. لكن العلماء وجدوا طريقة للخروج من وضع مماثل. تم تجميع الروبوتات المتخصصة. بمساعدة الإجراءات الميكانيكية للشخص ، والمتصلة مباشرة بنظام الشركة ، يمكنه توجيه تحركاته دون إفساد عينات قيمة من المواد الملغومة بالفعل.

يحتوي الروبوت على حجرة في الهيكل ، حيث يتم وضع العينات التي تم جمعها. ثم يذهبون إلى الأرض ، حيث سيجري العلماء سلسلة من الاختبارات تثبت قيمة هذا الكويكب لمحتوى المواد المفيدة فيه.

يعد هذا الفحص الأولي ضروريًا أيضًا لزيادة الثقة في أن العمل على استخراج المعادن ضروري حقًا. في الواقع ، في مثل هذه الصناعات ، هناك دائمًا مبلغ ضخم من المال.

تقنيات المستقبل من الماضي!

حتى الشخص البعيد عن العلم يدرك أن موارد كوكبنا ليست لانهائية. وببساطة لا يوجد مكان للبحث عن بديل للمواد المفيدة الموجودة ، وكذلك الأحافير على الأرض.

هذا هو السبب في أن العالم الحديث يتطور بشكل عفوي ، وفي نفس الوقت يحافظ على وتيرة هادئة ومدروسة للحياة البشرية. كل تجربة هي انعكاس لجوهر العالم وأعماله الرائعة والتجارب الأولى الناجحة.

لكن دعونا نتذكر كيف بدأت حمى الفضاء. كان مولد الأفكار من عمل كاتب خيال علمي مشهور جدًا في ذلك الوقت. ثم بدا وكأنه اختراع بسيط ، - أصبح الآن حقيقة عادية تمامًا ، يجذب انتباه العلماء الذين يسعون جاهدين لتقديم أفكارهم النظرية إلى التطبيقات العملية التي تفيد البشرية.

التقنيات باهظة الثمن ، وليس من السهل العثور على مستثمرين جديرين على استعداد للمخاطرة كثيرًا لتحقيق نتيجة إيجابية. لكن مشاريع المستقبل تحتاج إلى تطوير وإدخالها في الإنتاج في الوقت الحالي.

بغض النظر عما يقوله العلماء ، فقد حان الوقت للاستخراج الكامل للمعادن النادرة باهظة الثمن من الفضاء الخارجي مباشرة.

يتطلب الابتكار:

الشيكات الوقت ،
التنظيم المختص للإنتاج ،
استكشاف إمكانيات الصناعات ذات الصلة التي يمكن أن تتعاون مع بعضها البعض.

بدون استثمارات ، لن يكون هناك عائد ، حتى على المستوى الأدنى يتبعه تنظيم عملية العمل نفسها وبعد ذلك فقط - النتيجة التي تم الحصول عليها ، والتي كنت تأمل فيها.

كيف نشأت الكويكبات؟

إذا تمكن العلماء من تحديد الظروف المواتية التي تتشكل في ظلها الكويكبات ، فيمكن عندئذٍ إنشاء مثل هذه المصادر المفيدة بشكل مصطنع بمساعدة المختبرات ، أو مباشرة في اتساع الفضاء. من المعروف أن الكويكبات هي المادة الأصلية المتبقية بعد تشكل نظامنا الشمسي. هم في كل مكان. بعض الكويكبات تطير بالقرب من الشمس ، والبعض الآخر يطير في نفس المدارات ، مكونًا أحزمة كويكبات كاملة. بين كوكب المشتري ، والمريخ القريب نسبيًا ، يوجد أكبر مجموعة من الكويكبات.

إنها قيمة للغاية من حيث الموارد. ستسمح لك دراسة الكويكبات من وجهة نظر مختلفة بتحليل هيكلها والمساهمة في:

إنشاء قاعدة لمزيد من استكشاف الفضاء ،
جذب استثمارات جديدة في هذه الصناعة ،
تطوير المعدات المتخصصة التي يمكن أن تعمل في مجموعة متنوعة من الظروف.

من الأسهل بكثير استخراج المعادن على الكويكبات ، لأنها موزعة على كامل سطح الجسم الفضائي. إن تركيز حتى أثمن المعادن وأغلىها يساوي ذلك الموجود على الأرض فقط في الرواسب الغنية. الاهتمام بمثل هذه الأنواع من العمل ، بسبب أهميتها ، يتزايد كل يوم.

تمكن رواد الفضاء من تحقيق اختراق تكنولوجي مستحيل في مجال القدرات التكنولوجية. العينات الأولى المأخوذة على سطح الكويكبات:

أعطى العلماء فكرة عامة عن بنية الكويكبات ،
ساعدت في جعل إنتاجها أسرع ،
حددت مصادر جديدة للحصول على المعادن.

في المستقبل القريب ، ستحتل تقنيات هذا المستوى المكانة الرئيسية بين الإنتاج. إذا تخيلنا ، حتى من الناحية النظرية البحتة ، أن احتياطيات الكويكبات غير محدودة ، فيمكنها حينئذٍ دعم اقتصاد كوكب بأكمله ، مما يسمح له بالتطور بشكل أسرع عدة مرات.

يبدو ، ما الذي يجب أن نناضل من أجله عندما يغزو الإنسان الامتدادات الكونية؟ ولكن في الممارسة العملية ، تمت دراسة جميع الخصائص المفيدة للكويكبات والأشياء الأخرى الموجودة في الفضاء دراسة كاملة. أي أنه سيكون من الممكن إنشاء إنتاج خالٍ من النفايات. كل عنصر من هذه السلسلة لا وجود له دون تأثير السابق. هذا النهج مهم بشكل خاص عندما نتعامل مع المعادن. هيكلها قوي بما فيه الكفاية ، ولكن إذا لم يتم الالتزام بالظروف المناسبة لاستخراجها واستغلالها ، فقد يتدهور مورد طبيعي ثمين.

المعادن من الفضاء هي حقيقة يومية في عصرنا. يتم التخطيط لمشاريع جديدة ، سيكون أساسها إنتاج الماء والأكسجين ، وهما عنصران حيويان بالنسبة لنا.