Помоги проекту - поделись книгой:
И все же, несмотря на множество вопросов, новинка выглядит многообещающе: сочетание малой гравитации и топкой поверхности на Титане для Солнечной системы уникально, и решение этой проблемы действительно требует нетривиального подхода и действий.
НА ТИТАНЕ ОБНАРУЖЕНА ЖИЗНЬ?
Ученые NASA обнаружили признаки существования жизни на спутнике планеты Сатурн Титане. Выводы о наличии примитивных видов биологической жизни на Титане сделаны на основе анализа данных, полученных с американского спутника «Кассини». Согласно им, «жизненные формы дышат атмосферой этой крупнейшей луны Сатурна и потребляют находящиеся на поверхности Титана химические соединения, получая тем самым необходимую энергию».
Исследователь Крис Маккей заявил: «Мы уверены, что водород, который находится в атмосфере Титана, используется биологическими формами так же, как на Земле живые организмы дышат кислородом». Он не исключил, что речь идет о совершенно новой форме биологической жизни, полностью отличной от земной.
Титан — крупнейший спутник Сатурна, второй по величине спутник в Солнечной системе. Он был открыт в 1655 году голландским астрономом Христианом Гюйгенсом. Диаметр Титана — 5152 км, что на 50 % больше Луны. Наклон оси к плоскости орбиты Сатурна — 27 градусов. Ускорение свободного падения на поверхности — 1,35 м/г, что почти в 10 раз меньше, чем на Земле.
Средняя температура — минус 179 градусов по Цельсию. Давление на поверхности — 1,4 атмосферы.
1 — силикатное ядро, 2 — атмосфера, 3 — лед Ic, 4 — жидкая вода, 5 — высокосжатые льды.
Спутник Сатурна — одно из самых интересных тел Солнечной системы. Это единственный неземной мир, на котором зафиксирован полный круговорот жидкости в природе. Правда, в качестве жидкости здесь выступает не привычная для нас вода, а углеводороды. На Титане есть мощная атмосфера, где плавают тучи, из которых часто идут дожди. Выпавшая влага собирается в ручьи и реки, которые текут к озерам и морям.
Наличие на Титане озер и рек выявила пара исследовательских зондов Cassini-Huygens, прибывшая в систему Сатурна около 6 лет назад. Сначала космический аппарат Cassini, ощупывая спутник лучами своего радара SAR, обнаружил обширные гладкие области, которые могли быть образованы только жидкостью, собранной в озера. А потом и посадочный зонд Huygens, проткнув непрозрачный слой дымки, сфотографировал многочисленные русла рек, текущих в заливы обширных озер Титана.
На поверхности Huygens прожил недолго — он все же утонул в местной трясине. Однако Cassini продолжает свои витки вокруг Сатурна и за это время уже 60 с лишним раз подлетал к Титану. И каждый раз ученые узнавали что-нибудь новое. Например, спектроскопические наблюдения атмосферы спутника и данные, собранные во время посадки Huygens, позволили установить, из чего состоят озера Титана — большей частью из жидкого этана (около 75 %). Еще около 10 % приходится на метан и пропан, 3 % — на синильную кислоту и по 1 % — на бутан, бутилен и ацетилен.
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Космонавтам поможет «Кузнечик»
«Хватит летать на тряпках…»
Эту фразу произнес более полувека тому назад генеральный конструктор ракетных систем П. Королев, имея в виду спуск возвращаемых орбитальных аппаратов на парашютах. Он полагал, что пора переходить на плавную посадку с помощью реактивных двигателей, как это показано в фантастических фильмах. А как дела обстоят на практике?
Заменить парашютные системы пытались давно. Немецкие конструкторы как-то попробовали использовать для плавного спуска вертолетные лопасти. Однако в сложенном состоянии они занимают гораздо больше места, чем парашют в контейнере, а вот по надежности оставляют желать лучшего.
Пробовали космические конструкторы использовать для посадки и самолетные крылья. Начиная с 60-х годов ХХ века, в разных странах большой популярностью пользовались проекты космических самолетов. Сначала казалось — а что здесь сложного? Летают же самолеты на сверхзвуковых скоростях, благополучно взлетают и садятся. Причем экспериментальный гиперзвуковой самолет НАСА Х-15А сумел превысить скорость звука в 7 раз. Забираются современные самолеты на высоту выше 30 км. Казалось, еще немного — и такой летательный аппарат окажется на орбите.
В конце концов, конструкторы добились своего, создав космические самолеты Space Shuttle и «Буран». Однако наш «Буран» совершил всего один полет. Ныне списаны и шаттлы, так и не достигнув космических горизонтов. Одна из причин тому — дороговизна таких полетов. Чтобы взлететь, машина с массой под 100 т нуждается в помощи мощнейших стартовых ускорителей, и ракеты-носителя типа «Энергия». А для посадки пришлось строить посадочные полосы длиной до 5 км. Сейчас мало кто помнит, что, кроме полос на Байконуре и в подмосковном Жуковском, еще один запасной аэродром, так ни разу и не использованный, был построен в Крыму. А ведь каждое такое строительство стоило огромных денег.
Усилия же конструкторов, пытавшихся создать одноступенчатый космолет, способный базироваться на обычном аэродроме, будь то американский Venture Star или английский Skylon, не были доведены до стадии летных испытаний, как и немецкий «Зенгер» или французский «Гермес»… Причина все та же — громоздкость и малая надежность таких систем, а также дороговизна их эксплуатации. Да и двигатели, способные с одинаковой эффективностью работать в атмосфере и вне ее, все еще не покинули пределы конструкторских бюро и испытательных стендов.
Даже попытка наших конструкторов под руководством Г. Е. Лозино-Лозинского создать МАКС — многоразовую авиационно-космическую систему — так и не была доведена до конца. А ведь, кажется, придумано было неплохо. Космолет стартует «верхом» на тяжелом самолете-носителе, а на высоте 10. 12 километров отсоединяется от матки, включает собственные двигатели и выходит на орбиту. Посадку же он должен был совершать на обычный аэродром. Однако разработка МАКСа шла как-то ни шатко ни валко, а потом и вовсе остановилась.
Пришлось вернуться к традиционной схеме, а значит, все к тем же «тряпкам». Однако сейчас для нашей новой ракетно-космической системы МРКС, создаваемой в ГКНПЦ им. Хруничева, принята на вооружение самолетная схема спасения так называемых «боковушек» — ракетных блоков 1-й ступени. Им придают складные крылья, позаимствованные у предыдущего многоразового ускорителя «Байкал». Однако за последние 10 с лишним лет ни «Байкал», ни «Ангара», ни многоразовая ракетно-космическая система еще не доведены до завершения. Сложно, дорого и ненадежно все это получается. Может быть, поэтому многие с таким интересом встретили весть о проекте «Грассхоппер». Grasshopper — в переводе с английского «кузнечик» — ракета вертикального взлета и вертикальной посадки. Или, говоря иначе, суборбитальная многоразовая транспортная система, построенная с целью разработки и испытания технологий, необходимых для создания многоразовых ракетных систем.
О Grasshopper впервые публично было объявлено в третьем квартале 2011 года. А в сентябре 2012 года Grasshopper начал первые летные испытания. Сначала «Кузнечик» совершил всего лишь 3-секундный прыжок: едва оторвавшись от стартового стола на полигоне в Техасе, он тут же мягко опустился обратно. Затем последовал второй, 8-секундный прыжок в ноябре того же года, при этом «Кузнечик» поднялся на высоту около 5,4 м от земли. Третий полет был выполнен в декабре 2012 года с результатом 29 с и высотой 40 м. Сейчас программа летных испытаний продолжается.
Элон Маск, генеральный директор компании SpaceX, которая занимается этим проектом, объявил, что в настоящее время обсуждают второе поколение системы Grasshopper, которая должна иметь облегченные опорные ноги, складывающиеся по бокам ракеты, и другой двигатель, почти на 50 % мощнее.
Поначалу же система Grasshopper состояла из бака первой ступени Falcon 9, одного двигателя Melin-1D, 4 стальных посадочных ног и опорной конструкции. Дополнительные баки крепились к опорной конструкции. При этом было сказано, что 32-метровая конструкция может садиться на Землю с точностью вертолета.
Вторая версия Grasshopper будет иметь откидывающиеся посадочные ноги и использовать в качестве основы ракету Falcon v1.1. Летные испытания на высоте до 91 км будут включать в себя дозвуковые и сверхзвуковые полеты. Поначалу на полигоне McCregor в штате Техас подъемы будут совершаться на высоту от 200 до 3 500 м от 45 до 160 с. Затем, как заявил Элон Маск, будут постепенно увеличиваться высота и скорость.
Чтобы избежать полного разрушения конструкции в случае неудачного испытания, специалисты компании намерены перейти к полетам над водой. Надводные тесты будут происходить как в Тихом, так и в Атлантическом океанах, к югу от базы ВВС Ванденберг и к востоку от мыса Канаверал.
К сказанному добавим, что подобные попытки посадки «на хвост» экспериментальных самолетов предпринимались как советскими, так и американскими конструкторами еще более полувека назад. Но тогда такая посадка напоминала цирковой аттракцион, как пошутил один из испытателей. Ведь летчик опускался «на хвост», по существу, вслепую, не зная расстояния до земли. И научить такому трюку рядовых летчиков оказалось невозможно. Сейчас же посадка осуществляется автоматически. Так что в данном случае шансы на успех значительно выше.
ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Мускулы машин и людей
Специалисты давно уже мечтают создать робот-андроид, который сможет двигаться в точности так, как человек. А еще лучше — превзойдет его по силе, ловкости движений и скорости. Определенные достижения в этой области уже есть.
Поначалу все человекоподобные роботы приводились в действие электромоторами и гидравлическими системами. К концу ХХ века выяснилось, что неким аналогом мышц в подобных конструкциях могут послужить материалы с памятью, которые меняют свою форму при изменении температуры или электрического напряжения. В наши дни уже есть несколько видов таких материалов. Одним из самых многообещающих стало недавнее достижение команды исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Совместно со специалистами Министерства энергетики США они создали микромышцы, которые в 1000 раз мощнее человеческих. Такие «мускулы» из диоксида ванадия способны за 60 миллисекунд бросать груз в 50 раз тяжелее собственного веса на расстояние в 5 своих длин.
По словам сотрудника лаборатории Беркли Джункиао Ву, это соединение ванадия способно менять свой размер и форму при нагревании. А потому, когда исследователи создали микроскопическую биморфную двойную спираль, она стала функционировать словно «стальная» мышца, приводимая в движение благодаря переходу диоксида ванадия в другое фазовое состояние.
Диоксид ванадия — уникальный материал, который при низких температурах является диэлектриком, но проводит ток, когда температура поднимается до 67 градусов Цельсия. Ученые надеются, что такая особенность может быть использована для создания гораздо более энергоэффективных электронных и оптических устройств. Во время экспериментов мышцы из диоксида ванадия развивали скорость вращения 200 000 оборотов в минуту.
Доктор Ву объясняет: «Несколько микромышц могут быть собраны в роботизированную микросистему, которая имитирует нервно-мышечную систему живых организмов, где нейроны подают сигналы мышцам, а мышцы обеспечивают движение».
В итоге получилась конструкция, которая намного компактнее и совершеннее как по мощности, так и по скорости движения, по сравнению с двигателями и приводами, которые используются в существующих механизмах.
И это не единственная подобная конструкция наших дней. Новозеландские ученые тоже намерены наделить андроидов мышцами, подобными человеческим. Созданные в Оклендском биоинженерном институте искусственные мышцы эластичны, подвижны и превосходят по силовым характеристикам мышцы человека.
Под действием электротока они могут сокращаться на 300 %, развивая значительные усилия.
Как сообщает New Scientist, искусственные мышцы состоят из двух слоев электропроводного углеродного «желе», разделенных чрезвычайно эластичной полимерной пленкой-изолятором. При подаче на них напряжения разноименные полюса устройства притягиваются, и мышца сокращается, а после снятия напряжения она «расслабляется», возвращаясь в исходное положение.
Представитель биоинженерного института Иэн Андерсон продемонстрировал двигатель, построенный на базе новой технологии. 6 мышц смогли привести колесо двигателя в движение и поддерживали его необходимое время. «Создание этих мышц открывает перед нами большое будущее, — прокомментировал изобретение директор Бристольской лаборатории робототехники Крис Мелхунс. — Мы сможем получить совершенно иной класс роботов, которые будут ловки и подвижны, как живые существа, а также вполне смогут имитировать человеческую мимику».
Еще одной областью применения искусственных мышц может стать создание принципиально новых хирургических инструментов. Гибкие и подвижные устройства смогут проникать к тому или иному органу человеческого организма через естественные отверстия тела, сделав ненужными разрезы наружных покровов и послеоперационные швы.
Ученые также не оставляют попыток видоизменить биологические мышцы, нарастить мышечную массу животных и людей с помощью блокировки особого белка миостатина. Блокирование выработки этого белка приводит к резкому увеличению мышечной массы без соответствующего роста жировой ткани.
Эксперименты на мышах показали рост массы тела за счет роста массы мышц в 1,5 и более раз по сравнению с обычными особями. В настоящее время даже есть породы коров с мутантными генами, блокирующими выработку миостатина. Такие животные дают много мяса с низким содержанием жира. Кроме того, блокировка миостатина ускоряет регенерацию мышечной ткани, что может помочь при обширных повреждениях мышц, например, в результате ранения.
У людей мутантные гены, блокирующие выработку миостатина, — очень редкое явление. Поэтому в течение многих лет ученые искали средства управлять уровнем миостатина для того, чтобы была возможность регулировать рост мышц. Такое лекарство пригодилось бы, например, для лечения возрастных изменений. Ведь старея, люди начинают терять мышечную массу, сами мышцы становятся слабее, а все тело заплывает жиром.
Определенные результаты в этой области уже есть. Существенного успеха в разработке технологии блокирования миостатина добились ученые Дэвид Глас и Эстель Трайфилиф из фармацевтической компании Novartis. Они разработали новое соединение BYM338, которое предотвращает атрофию мышц и способствует росту мышечной массы. Оно воздействует на рецептор миостатин/активин тип II (ActRII), который управляет ростом только скелетных мышц. Таким образом, теперь ученые могут регулировать рост мышечной массы без грубого вмешательства в другие процессы, протекающие в организме.
Пока новые технологии блокирования миостатина готовятся к клиническим испытаниям. Ученые надеются, что новая технология позволит не только наращивать мышцы по желанию и медицинским показаниям, но и предотвратить тяжелые осложнения ряда заболеваний. Ну и, конечно, новая методика наращивания мышечной ткани вполне может пригодиться при создании новых поколений биороботов.
ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
Как взвесить молекулу?
Мы с моим другом Андреем задумались: а как можно взвесить молекулы? Ведь ученым для своих расчетов и опытов необходимо знать, сколько они весят.
Ну, сделать это очень просто. Надо взять лабораторные или аптекарские весы и на одну чашку положить молекулу, а на другие — атомы, которые мы будем использовать в качестве гирек.
Конечно, это шутка. На самом деле взвешивают сверхмалые объекты вовсе не так. Устройства, которым можно доверить столь деликатную задачу, и на весы-то, в общем, совсем не похожи. Потому как нет таких гирь и пружин, которые бы могли почувствовать разницу в массе той или иной молекулы. А потому решается подобная задача следующим образом. Представьте себе картину. Девочка Маша качается на качелях. Она раскачивает качели ритмичными толчками с постоянной силой — старается, как может. В результате качели имеют постоянную амплитуду отклонений и частоту качаний.
В какой-то момент к Маше на качели подсаживается соседский мальчик Миша. Он намного тяжелее Маши, но еще и ленив. А потому не раскачивает качели, а просто сидит на них. Раскачивает одна Маша. В итоге, как вы сами понимаете, амплитуда и частота качаний существенно изменятся. Причем степень изменения будет пропорциональна массе Миши.
Именно на таком принципе основана работа кварцевых микровесов. Кварцевая пластина, установленная на дне герметичной камеры, колеблется в поперечном направлении. Колебания эти возбуждаются электродами по краям пластины, к которым прикладывается переменное напряжение (кварц — пьезоэлектрик). Параметры колебаний регистрируют специальные датчики. Если на пластину осядут молекулы, то параметры колебаний изменятся. Существуют формулы, которые позволяют пересчитать изменение частоты в изменение массы.
Сам принцип измерения массы с помощью колеблющейся системы далеко не нов. Идея использовать в качестве весов кантилевер — кварцевую пластину, закрепленную одним концом, словно доска трамплина для прыжков в воду, родилась в конце 70-х годов ХХ века, почти одновременно с созданием самого атомно-силового микроскопа. С тех пор кварцевые микровесы (в английской литературе QCM — quarts crystal microbalances) прижились, и сегодня существует множество их разновидностей. Использование относительно крупной пластины в качестве подложки дает возможность не только определять массу молекул, но и исследовать процессы их слипания, сорбции-десорбции, а также изучать свойства пленок, регистрировать изменения структуры гелей и многое другое.
Наши специалисты из фирмы НТ-МДТ разработали устройство, которое интегрировано со сканирующим зондовым микроскопом. Таким образом, исследователь имеет возможность не только зарегистрировать изменение массы на подложке, но и сразу же увидеть, чем именно это изменение вызвано.
Разновидность подобных микровесов создали недавно физики из Калифорнийского технологического института (Калтеха). Ими сконструировано первое наноустройство, способное взвешивать отдельные биомолекулы. По словам Майкла Роукеса, профессора прикладной физики и биоинженерии из Калтеха и одновременно директора недавно основанного Института нанотехнологий, возглавляемой им группе специалистов удалось создать принципиально новый измерительный наноразмерный прибор для применения в медицинских и научных исследованиях.
Устройство называется «наноэлектромеханический резонатор» и представляет собой крошечный камертон длиной порядка микрона и шириной около 100 нанометров. Если опять-таки приложить к нему переменное электрическое напряжение, он начинает колебаться со своей собственной, строго определенной частотой. Правда, услышать издаваемый им звук не удастся, поскольку частота колебаний лежит уже в микроволновой области.
Но это неважно. Главное, что исследователи собрали электросхему, которая непрерывно возбуждает и контролирует частоту вибрирующей полоски. Периодически в герметической камере, куда помещен камертон, срабатывает заслонка, и на пластинку обрушивается пучок атомов или молекул. А поскольку пластинка предварительно охлаждалась до очень низкой температуры, атомы или молекулы тут же примерзают к камертону, неизбежно понижая его частоту.
Причем изменение частоты пропорционально массе молекул. Остается их пересчитать под электронным микроскопом и узнать, сколько весит каждая молекула.
Еще одна аналогичная установка создана в Массачусетском технологическом институте (МТИ). Она позволяет взвешивать наночастицы с точностью до одного аттограмма (10–18 г).
Пару лет тому назад Скотт Маналис, сотрудник МТИ, разработал метод взвешивания отдельных живых клеток в подвешенном микроканальном резонаторе (ПМР), измеряющем массу объекта при его прохождении или протекании через узкий канал. Изначально такое устройство представляло собой микроканал в крохотном кремниевом кронштейне. Когда по каналу проходила клетка, кронштейн менял частоту своих вибраций. А поскольку он делал это в маленькой вакуумной полости, изменение частоты не так уж сложно было измерить с высокой точностью и пересчитать в доли грамма.
Поделиться книгой: