Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Титан - металл будущего

Живя на уютной Земле, мы редко задумываемся над тем, какое место занимает наша планета во всей Вселенной и что представляет собой солнечная система. Но уже начавшаяся космическая эра настоятельно побуждает нас, в том числе и тех, кто непосредственно не связан с космонавтикой, обращать свои мысленные взоры за пределы Земли. И что же мы видим?

Сразу же за тонкой земной атмосферой начинается бездна космоса. Планеты, их спутники и даже звёзды — совсем крохотные образования вещества по сравнению с этой бездной почти абсолютной пустоты́.

Представим себе солнечную систему, уменьшенную в 2 миллиарда раз.

Диаметр её составит всего четыре с половиной километра. Огромное Солнце станет небольшим шаром диаметром 70 сантиметров, а планеты будут ещё меньше. Меркурий и Марс превратятся в зернышки, Земля и Венера — горошины. Уран и Нептун покажутся грецкими орехами, а гигантские Сатурн и Юпитер — яблоками средней величины. Отделять эти зернышки и горошины друг от друга будут многие десятки и сотни метров пространства. Расстояние же между Ураном и Нептуном, самыми удаленными от Солнца планетами, которые на нашей уменьшенной модели выглядят грецкими орехами, достигнет почти километра.

Таким образом, на пространстве в 16 квадратных километров будут размещены несколько зернышек, горошин, орехов и яблок, а также золотистый шар, достигающий размеров мяча. Вот и всё, что приходится на долю вещества, остальное занимает космическое пространство.

Картина солнечной системы, образно нарисованная Константином Эдуардовичем Циолковским, помогает отчётливо представить громаду космоса и наше очень скромное место в нём. Но, несмотря на столь, казалось бы, незаметное положение, люди уже начали великий штурм мироздания, посылая плоды своего разума и творения своих рук как к ближайшим, так и отдаленным космическим объектам. Аппараты, созданные на Земле, достигают не только Луны. Но и Венеры, Марса, Юпитера.

Если до Луны корабль летит всего трое суток, то время достижения Венеры и Марса измеряется уже многими месяца́ми, а полёт к Сатурну и Юпитеру занимает годы. Между тем космическое пространство — не слишком уютно для путешествий. Там царит ледяной холод, но сторона корабля, повернутая к Солнцу, сильно нагревается. Такие температурные контрасты действуют самым отрицательным образом на материалы, из которых изготовлен космический аппарат.

Не идут на пользу кораблю и частицы космической пы́ли, щедро рассыпанной по всему пространству Вселенной, через которую летательному аппарату нередко приходится "пробираться". Вредна и космическая радиация. Казалось бы, чем может вредить пустота — космический вакуум, огромнейшее безвоздушное пространство? А между тем, ва́куум далеко не безобиден.

Ва́куум и металлы

Эксперименты, проведенные учёными с различными металлами в глубоком ва́кууме, позволили обнаружить любопытные факты. В результате экспериментов выяснилось, что глубокий вакуум действует на металлы очень специфически: кадмий, цинк, магниевые сплавы... закипа́ют и испаряются, многие другие металлы, хотя и в меньшей степени, но тоже начинают терять свои собственные атомы. Наиболее устойчивыми в ва́кууме оказались сталь и титан, а также вольфрам и платина. Менее устойчив, но ещё достаточно надёжен алюминий. Остальные металлы мало пригодны для эксплуатации в открытом космосе.

Эти эксперименты были проведены сравнительно недавно — уже после того, как титан стали применять в космической технике. Тогда, разумеется, не знали, что новый металл очень устойчив в ва́кууме, но и без того у титана имелось немало достоинств, среди которых на первом месте прочность и лёгкость — они и определили быстрый рост его применения в космической технике.

С каждым запуском кораблей серии "Аполлон" в межпланетное пространство стартовали более 60 тонн титановых сплавов. Узлы и детали из сплавов титана использовались не только в самом корабле "Аполлон", но и в лунном модуле, и в трехступенчатой ракете-носителе "Сатурн-5", которая выводи́ла космических путешественников на траекторию полета к Луне.

На космическом корабле "Аполлон" насчитывается около сорока титановых емкостей, предназначенных для хранения химически активных веществ, входящих в состав горючего. В частности, в титановых баках хранятся монометилгидразин, используемый как топливо, тетраксидазот, применяемый в качестве окислителя, и жидкие газы — кислород, водород, азот и гелий. Воздух, который служит для вентиляции кабины в космических полетах, содержится в титановых цилиндрах под давлением, превышающим 200 атмосфер.

Третья ступень ракеты-носителя «Сатурн V», 84В, предназначалась для выведения «Аполлона» на орбиту вокруг Земли и последующего разгона для полёта к Луне. На подлете к Луне «Аполлон» отделялся от ступени, а сама ракета либо врезалась в поверхность Луны, либо выходила в межпланетное пространство, становясь спутником Солнца.

В лунном модуле, опуска́вшемся на пыльную поверхность нашего естественного спутника, из нового конструкционного материала изготовлена камера сгорания жидкостного ракетного двигателя. В гигантской ракете "Сатурн-5" сосуды высокого давления и лопасти стабилизаторов тоже из титана.

Корпус ракеты "Титан-II", которая выводи́ла на околоземную орбиту космический корабль "Дже́мини", высотой 27 метров и диаметром 3 метра был изготовлен из титана с использованием не́которого количества сплавов на основе алюминия и магния. Кабины космических кораблей "Дже́мини" и "Меркурий" почти полностью были сделаны из титана.

Титановые сплавы были успешно использованы для корпусов двигателей американских космических кораблей "Пионер-4", "Юнона-2", "Юпитер-C". Новый промышленный металл применяется и в установках для запуска ракет.

Титан — металл, который в немалой степени обеспечил и обеспечивает многие достижения в освоении космического пространства.

Сегодня космические перевозки уже не фантастика, а реальность. Но сто́ят они фантастически дорого. Отсюда понятно, насколько важно поставлять для орбитальных и лунных станций, монтируемых непосредственно в космосе, конструкционный материал, который был бы высокопро́чным и вместе с тем не слишком плотным. Таким материалом как раз и является титан. Металл не только сохранит в космосе все свои достоинства, но и лишится некоторых присущих ему недостатков.

Например, в межпланетном пространстве значительно упростится сварка титана: не надо будет защищать металл от взаимодействия с воздухом, так как такового в космосе попросту нет. Сваривается же титан отлично. При испытаниях сваренного образца на прочность гораздо чаще случается так, что разрывается основной металл, а не сварной шов.

Но возможна ли сама по себе сварка в условиях невесомости? Предстояло проверить это на практике. Оказалось, что в космосе металлы свариваются так же надежно, как и на Земле. Успешные эксперименты по автоматической сварке и резке титана в межпланетном пространстве провели в октябре 1969 года советские космонавты Г.С. Шо́нин и В.Н. Кубасов во время группового полёта трёх космических кораблей "Союз". Самая первая экспедиция на Луну доставила с нашего естественного спутника образцы пород с очень большим содержанием титана. Впоследствии оказалось, что "Аполлон-11" совершил посадку в районе титанового месторождения. Образцы лунного грунта, доставленные советскими автоматическими станциями и другими американскими кораблями, были взяты в иных местах нашего естественного спутника и содержали уже гораздо меньше титана. Но даже и это "низкое" содержание значительно превосходит процент содержания элемента в земной коре. Итак, Луна богата титаном. Запомним это. И обратим внимание на то, что уже не первый год (и не только в научно-фантастической литературе, но и в самой что ни на есть серьезной печати) появляются материалы, рассказывающие о перспективах космической металлургии, о неизбежном её возникновении и её преимуществах.

Предполагают, что энергию для металлургических предприятий будущего дадут солнечные нагреватели. Сфокусированные солнечные лучи будут плавить любые соединения и самые тугоплавкие металлы. Космический вакуум намного упростит технологию получения целого ряда металлов, в том числе и титана.

Теперь давайте немного помечта́ем. Перенесемся в XXII век. Луна уже обитаема. Здесь живут и работают люди, исследуют космическое пространство и недра нашего спутника, ведут самые разнообразные работы. Вряд ли сюда будут возить с Земли основные материалы для строительства — намного дешевле и целесообразней добывать их прямо на месте.

В отношении металлов очень сомнительно, что для создания объектов, находящихся в безвоздушном пространстве, будут использовать платину или вольфрам. Значит, остаются только сталь, титан и алюминий. Но сталь плохо переносит космический холод, алюминий же не настолько прочен, чтобы конкурировать с титаном. К тому же, будет ли он найден на Луне? Неизвестно. А титан обнаруживают на каждом "обжи́том" участке лунной поверхности. Так что, по всей вероятности, именно титан будет основным конструкционным материалом для сооружений, изготовляемых и монтируемых непосредственно в космосе. Титановые заводы, работающие в идеальном вакууме, будут производить гораздо более дешевый металл, чем если бы они работали на Земле. Титану найдется очень много дел в межпланетном пространстве, и сейчас даже трудно представить себе будущее этого металла во всей полноте. Можно только с уверенностью сказать, что будущее это — большое и прекрасное. Титан хорошо послужит людям в завоевании космоса.