Имитация атмосферы Титана объяснила разницу в данных «Кассини» и «Гюйгенса»
Измерения аппаратов «Кассини» и «Гюйгенс» показали, что химический состав аэрозолей, которые придают атмосфере Титана коричневатый оттенок, отличается для верхних и нижних слоев атмосферы. Группа исследователей из Франции и США объяснили эти отличия, облучая ультрафиолетом твердую пластинку, воспроизводящую состав атмосферы на высоте около тысячи километров, и отслеживая, как спектр ее поглощения изменяется со временем.
Работа в одном из исследовательских институтов России
По традиции коротко о себе: работаю в Технологическом институте Карлсруэ, в области материаловедения. Предыдущие посты про науку: 1. Российская и немецкая наука с моей точки зрения, 2. Немецкая и российская наука с моей точки зрения (Дополнение).
Сегодня я постараюсь как можно проще рассказать о том, чем я занимался (и продолжаю заниматься) в одном из исследовательских институтов РАН. Резерфорду приписывают слова о том, что если учёный не может объяснить уборщице, которая убирается у него в лаборатории, смысл своей работы, то он сам не понимает, что он делает. Надеюсь, я понимаю, чем занимаюсь, и постараюсь доступно рассказать о своей работе.
В отличии от математики или чистой физики в материаловедении процесс изучения ведется, как правило, группой ученых. Постановка цели и задач исследования, выдвижение новых идей, гипотез, а также предварительное моделирование представляют важную часть работы. Но материаловедение - наука материальная, я бы сказал, основа научного материализма. Практическое исследование или эксперимент являются главными критериями истины, как это считали Гегель, затем Маркс и Ленин. Именно проведение эксперимента в материаловедении занимает большую часть времени и требует максимальных усилий. Многое приходится делать руками, некоторые разрабатывают собственную методику, изготавливают новое экспериментальное оборудование.
Лично я в исследовательском институте РАН занимался и занимаюсь изучением большого круга различных материалов. Я занимаюсь плавкой и изготовлением исходного материала, провожу деформационную и термическую обработку, занимаюсь микроструктурными исследованиями и изучением механических свойств. Большая часть моих работ посвящена сплавам и композитам на основе титана.
Почему титан? Титановые сплавы обладает высокой удельной прочностью. При температурах 200-550°С они по этому параметру опережают все металлы и сплавы. Что это значит? На самом деле прочность титановых сплавов совсем не рекордная. Грубо говоря, один квадратный миллиметр распространенного титанового сплава при растяжении выдерживает вес в 100 кг. Высокопрочные стали могут выдержать и 250 кг, тогда как обычная строительная сталь чуть больше 40 кг. Но благодаря низкой плотности (4,5 г/см3) титан выигрывает по удельной прочности. Именно этот параметр наиболее важен при снижении веса техники для специального применения, например, в авиации, спорте, ракетостроении.
Какие проблемы существуют в отношении титановых сплавов? Несмотря на высокую температуру плавления (около 1700°С) максимальная температура эксплуатации титановых сплавов составляет всего 550-600°С. Это очень мало. Например, никелевые сплавы плавятся при 1400-1500°С, а эксплуатироваться могут вплоть до 1100-1200°С. Высокая жаропрочность необходима в первую очередь при изготовлении деталей двигателя. Чем выше температура внутри любого двигателя, тем выше мощность и КПД. Резонный вопрос, почему бы не заменить весь титан никелем, если жаропрочность у него выше? Дело в том, что плотность никелевых сплавов составляет 8,5-9 г/см3. Полностью никелевый двигатель получится тяжелым, низкооборотистым и маломощным (что и было на заре двигателестроения). Чем выше обороты, тем большую нагрузку испытывают вращающиеся детали, тем более выгодным становится использование материалов с высокой удельной прочностью. В современных самолетах доля титана по массе составляет 14-20%, в военных до 40%.
Вторая важная проблема титановых сплавов - это их стоимость. Себестоимость одного килограмма титана в 50 раз выше, чем черной стали. К примеру, алюминий дороже стали в 4-5 раза, медь в 16, нержавеющая сталь в 10-11. Понятно, что при такой цене титан может использоваться только там, где он незаменим. Если бы удалось снизить стоимость титановых сплавов, использование этого металла стало бы возможным и в других областях.
В чем суть наших исследований? Разными путями мы пытаемся поднять жаропрочность, а значит и температуру эксплуатации жаропрочных титановых сплавов. Как это можно сделать? К сожалению, термическая и деформационная обработка для этого не подходят, т.к. при высоких температурах такое упрочнение не сохраняется. Можно несколько поиграться с химическим составом, однако это направление по большей части исчерпано, т.к. основные принципы легирования титана были обозначены еще в 70-х гг. Получается, что нет более другого способа повышения жаропрочности титанового сплава, кроме создания на основе титана композитов, упрочненных более жаропрочными материалами.
Чем можно упрочнить композит на основе титана? Желательно более прочными и жаропрочными соединениями, имеющими хорошую совместимость с титаном. Из всех известных материалов более всего для упрочнения подходят волокна моноборида титана, который к тому же может образовываться внутри титанового сплава (путем введения бора) при его изготовлении. По разным оценкам прочность волокна составляет 800 кг на квадратный миллиметр (т.е. в 8 раз больше, чем у распространенного титанового сплава). Еще одно достоинство моноборида титана в том, что с титаном он образует очень прочную связь, что предотвращает его вырывание из композита. На фото хаотично направленные иголки - это и есть волокна моноборида титана TiB.
Какова основная цель нашей работы? Мы пытаемся создать такой композит на основе титана и моноборида титана, который по жаропрочности и балансу свойств существенно превосходил бы промышленные титановые сплавы. В таком случае такие композиты смогли бы частично заменить сталь и никелевые сплавы при изготовлении деталей газотурбинного двигателя.
Чем я непосредственно занимаюсь? Наглядно по картинкам постараюсь объяснить. Я изготавливаю композиты на основе разных промышленных титановых сплавов (ВТ1-0, ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ20Л, ВТ22, ВТ25У, Ортосплав), упрочненных различным количеством волокон TiB. Для этого готовлю исходный материал:
Плавлю в камере печи аргонно-дуговой плавки:
Получаю примерно такие слитки:
Поскольку в литом состоянии свойства титановых сплавов и композитов невысоки, далее мы проводим различную деформационную обработку слитков композитов на гидравлическом прессе. Получаем, например, такие заготовки:
Провожу термическую обработку, необходимую для получения оптимального баланса прочности и пластичности. Здесь происходит охлаждение на воздухе после 1050°С:
Далее заготовки разрезаем на микроструктурные исследования или механические испытания. На фото вырезаются плоские образцы для растяжения:
Внешний вид образцов для проведения различных механических испытаний: растяжение, длительная прочность, усталостные испытания, ударная вязкость.
Каковы наши результаты? Исследования еще не закончены, но грубо говоря, жаропрочность удается повысить на 25-50°С. На самом деле это не мало, учитывая, что режимы обработки еще не оптимизированы. Прочностные свойства возрастают на 20-50%, пластичность удается сохранить выше 3-5%. Такую структура композита получаем после нашей деформационной и термической обработки. Видно, что волокна TiB удалось переориентировать вдоль одного направления:
Каковы перспективы, кому все это может понадобиться? К сожалению, это больной вопрос в российской науке. Если бы заводы и промышленность работали в полную силу, то наши разработки были бы востребованными. Меня утешают, что мы не виноваты в сложившейся ситуации и повлиять на это никак не можем. Наши идеи, решения скорее полезны для всей науки в целом, и может быть, в будущем еще найдут применение. Далее планирую рассказать, что я изучаю в Германии.
Подлодка для Титана
Инженеры NASA и специалисты университета Вашингтона вместе работают над созданием подлодки, способной помочь учёным изучить моря Титана, спутника Сатурна. Несколько лет назад эта «инопланетная субмарина» была лишь концептом, но сейчас разработчики уже проводят испытания её раннего прототипа и даже создают для этих целей искусственное море из метана и этана.
На Титане имеется множество рек, озёр и морей, состоящих из метана. На Земле он присутствует в газообразном состоянии, но на Титане совершенно другие условия, да и температура тоже далека от нашей, поэтому там метан жидкий, а это значит, что в нём можно плавать, проводя при этом исследования.
Давление и низкие температуры, равно как и другие малоприятные нюансы, могут существенно затруднить процесс исследования, фото и видеосъёмку, поэтому сейчас учёные пытаются решить проблему. Прошедшие недавно испытания специальной камеры и бороскопа дали положительный результат, что весьма обнадёживает.
NASA планирует отправить субмарину на Титан в ближайшие 20 лет, а пока тестируют её прототип в искусственном «море» из метана и этана, температура в котором составляет
-180 градусов Цельсия. Подводная лодка, над которой работают учёные, будет работать автономно, собирая данные об океанических и атмосферных условиях Титана.
Математическое моделирование попадания различных боеприпасов в бронежилет
Решил показать возможности математического моделирования в динамических расчетах. В видео демонстрируются возможности программы ANSYS при выполнении такого рода симуляции. В качестве примера выбрал тестирование различных видов боеприпасов, начиная от магнума, заканчивая крупнокалиберными 12.7. Такого рода расчеты выполняются во всех современных исследованиях современных материалов. На основе математических испытаний выстраивают реальные испытания образцов. Видео больше носит просвещающий характер к данной тематике, наука это интересно :)
Cassini: лучшие снимки из системы Сатурна (Часть 2)
В первой части видео https://pikabu.ru/story/cassini_luchshie_snimki_iz_sistemyi_... ( https://youtu.be/BqzWoXgSrG0 ) была показана лишь небольшая доля эффектных снимков от Cassini. Продолжаем вспоминать самые лучшие снимки, сделанные зондом за весь период своей миссии в системе Сатурна.
Поиграем в бизнесменов?
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.
Сегодня завершается легендарная миссия Кассини
В этом видео мы вернёмся на 20 лет назад и ещё раз повторим весь полёт этой эпохальной экспедиции за миллиард километров от Земли. Межпланетный зонд Кассини находился в системе Сатурна 13 лет, и уже выросло поколение, которое и не помнит, как это, не иметь там представителя. Но сейчас его топливо подошло к концу, и его решили сжечь в атмосфере Сатурна, чтобы не врезаться в один из спутников, где может быть жизнь.
Кассини перевернул наши представления о поисках внеземной жизни, и его наследие ещё очень долго будет оставаться основой для новых открытий. Одних фотографий зонд прислал больше 450 тысяч. Но что за миры оказались перед нами? Надеюсь, видео ответит на этот вопрос.