Даулету Капарову 17 лет, он перешел в 11 класс, а астрофизикой увлекся еще восьмиклассником. Как не увлечься, когда всемирно известный креативщик Илон Маск обозначил 2029 год датой высадки на Марс?
– Астрофизика – это направление, исследующее внеземные объекты и космос, – пояснил учитель физики НИШ Бекжан МУРАТБЕКОВ. – На орбите работают телескопы, которые ведут дистанционное зондирование земли, исследуют небесные тела. Эти данные востребованы у метеорологов, климатологов, геологов, аграриев, в космических агентствах, изучающих, например, потенциально опасные для Земли астероиды. Интереснейшая область знаний!
Такие космические конструкции создают из особых материалов – суперпрочных, устойчивых, легких. Их поиск – это отдельное направление на стыке химии, физики, математики. Около ста лет назад первым "крылатым металлом" стал алюминий с добавками марганца и магния. В 1980-х годах разработали легированные сплавы на основе титана. А сегодня в космической индустрии используют такие новые материалы, как интерметаллические соединения, высокомодульный углепластик, сложные композиты.
Школьник поставил перед собой задачу получить сплав, подходящий для космических телескопов.
Чаще всего производители применяют Invar – железоникелевый сплав с добавками кобальта: Fe-Ni-Co. В космосе колоссальный перепад температур: когда оборудование находится в солнечном свете, оно нагревается, заходит в тень – в пространстве царит абсолютный ноль, минус 273 градуса. При нагревании, как известно, тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Если речь идет о приборах, предназначенных для точных измерений, в том числе телескопах, такие колебания влияют на результаты. Иногда просто сводят на нет всю работу. Главное достоинство инвара – практически нулевая реакция на перепад температур. Вместе с тем у него есть и недостатки: во-первых, низкая коррозионная стойкость, а во-вторых, высокая стоимость.
– Железо – незаменимый элемент любых инженерных конструкций, особенно в виде высокопрочных сталей, – рассказал Даулет. – Сталь отличается жесткостью, устойчивостью к вибрации, другими важными свойствами. И она более доступна по цене. Поэтому мы взяли для эксперимента нержавейку и дисперсионно-твердеющий сплав – материал, набирающий прочность при термической обработке.
Для опытно-практической части свою лабораторию предоставил региональный университет. Юный исследователь взял равные пропорции двух металлов и провел плавку в индукционной печи при температуре выше 1 100 градусов. Вся история, по словам юноши, была чистым экспериментом. Возможно, на выходе не получилось бы ничего стоящего, а возможно, новый состав проявил бы отличные свойства. Что делать Казахстану, чтобы не остаться на обочине космических трасс
Непростым, но увлекательным оказался этап работы с приборами. Пришлось знакомиться с принципом их действия, осваивать способы измерений, методы расчетов. С помощью одного прибора Даулет определил микротвердость образцов, с помощью другого – коррозионную стойкость. Специальный индикатор потребовался, чтобы вычислить температурный коэффициент линейного расширения. В химической лаборатории с помощью электронного микроскопа удалось установить точное содержание всех основных компонентов – железа, никеля, кобальта, хрома, марганца до долей процента. Юный исследователь резал образцы на кусочки, крошил, растирал, обрабатывал, смотрел микроструктуру, фазовый состав.
– При том же коэффициенте линейного расширения, как у инвара, наш сплав показал более высокую – на 46 процентов – микротвердость, – пояснил старшеклассник. – Кроме того, у него лучшие показатели по коррозионной стойкости. Причем мы исследовали образцы при разных режимах: меняли время отжига, разогревали, охлаждали. И вот нашли вариант, показавший отличный результат.
О важности эксплуатационных свойств современных материалов школьник рассказал на примере компании Илона Маска.
В ходе работы над межпланетной транспортной системой перед инженерами SpaceX встала задача поиска идеального покрытия для топливного бака под такое горючее, как чистый горячий кислород. Не надо быть специалистом, чтобы понять, какая это агрессивная среда! Сначала планировали взять инвар – он легкий, ковкий, пластичный. Его можно приваривать, раскатав в тонкие листы. Однако от идеи пришлось отказаться – металл показал низкую коррозионную стойкость и недостаточную микротвердость.
– А наш сплав обладает всеми необходимыми характеристиками для применения в космических технологиях, – отметил Даулет. – Он подходит для приборов, удерживающих зеркала и линзы, может использоваться как материал для изготовления топливного бака.
По словам учителя физики Бекжана Муратбекова, ученический проект является невероятно перспективным, у него могут быть разные направления. И работы впереди еще много.
– Свое будущее Даулет видит в астрофизике, в области дистанционного зондирования Земли, – заключил учитель. – Школьный проект уже позволил ему погрузиться в эту тему.
Усть-Каменогорск