2-ая Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых «Функциональные наноматериалы для космической техники»

17-19 мая 2011г. в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) – МИЭМ  состоялась 2-я Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых (до 35 лет) по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники», организованная при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Государственный контракт № 16.647.12.2002) и партнерстве Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В.Скобельцына Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова и Федерального государственного предприятия «Исследовательский центр имени М.В.Келдыша».

Председатель Организационного комитета школы-семинара – и.о. ректора МИЭМ д.т.н.,профессор Кулагин В.П.

Цель Школы-семинара - повышение качества подготовки и уровня квалификации студентов, аспирантов и молодых ученых в области тематического направления деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники» на основе организации взаимного конструктивного обмена мнениями, данными и знаниями о состоянии и тенденциях развития данного направления.

В работе школы-семинара приняли участие более 100 студентов, аспирантов и молодых ученых из вузовских, академических и отраслевых организаций 6-ти регионов Российской Федерации (Москвы, Белгорода, Самары,  Волгограда, Томска, Калуги, ). Программа Школы-семинара  включала в себя выступления с докладами и лекциями ведущих ученых и представителей реального сектора экономики по данному тематическому направлению, проведение мастер-классов и семинаров с элементами инженерного тренинга преподавателями МИЭМ и других организаций.

На пленарном заседании были заслушаны доклады проф. Ризаханова Р.Н. (начальника отдела нанотехнологий Федерального государственного предприятия «Исследовательский центр имени М.В.Келдыша») «Применение нанотехнологических разработок в космической технике», проф. Лесневского  Л.Н. (д.т.н., профессора Московского авиационного института (государственного технического университета «МАИ») «Наноматериалы  и  нанотехнологии  в производстве космических энергетических и двигательных установок», проф. Артемьева А.Н. (начальника лаборатории Курчатовского Центра синхротронных излучений и нанотехнологий Национального исследовательского центра «Курчатовский институт») «Применение синхротронного излучения для исследования наноматериалов», проф. Азарова В.Н. (проректора но научной работе МИЭМ) «Об оценке качества квалификации выпускников вузов», посвященные оценке тенденций и базовых направлений развития исследований поведения материалов в космосе, технологий создания и применения функциональных наноматериалов в космической технике в России и в мире, повышению качества подготовки молодых специалистов.

В частности, в докладе проф. Ризаханова Р.Н. был представлен обзор работ ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» в области нанотехнологий, проводимых в интересах развития космической техники. Рассмотрены разработанные технологии создания многослойных теплозащитных нанопокрытий для камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), защитных покрытий для газоводов и смесительных элементов ЖРД, прозрачных проводящих покрытий,  алмазных покрытий. Особое внимание было уделено созданию новых материалов для космической техники. Отмечалось, в частности, что создание материалов с повышенными прочностными характеристиками, термостойкостью, низкой плотностью на основе керамик открывает новые возможности разработки космической техники и ее развития. Одно из возможных направлений - создание  нано-структурированных материалов путем компактирования порошков. Серьезную перспективу использования в космической технике имеют углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие высокой прочностью, уникальными электрическими свойствами. Было подчеркнуто, что если удастся армировать нанотрубками материалы космической техники, то ожидается многократное увеличение их прочности. Большие перспективы ожидаются при применении УНТ в электронике. На их основе можно создать высокоскоростные, энергоэкономичные, суперлегкие электронные элементы. Сами нанотрубки интересны и как зонды для  измерений нанометрового масштаба. В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» проведен цикл исследований по получению углеродных материалов (в том   числе, углеродных нанотрубок) путем пиролиза углеродсодержащего газа. Показано, что в зависимости от режимов осаждения (температура подложки, давление газа и др.) можно получить углерод в различных модификациях - от  аморфного до алмаза.

В докладе д.т.н., проф. Лесневского  Л.Н. отмечено, что космическая техника, и в частности, двигатели и энергоустановки космических аппаратов (ЭУ и ДУ КА) являются активными потребителями функциональных наноматериалов, при этом достижения нанотехнологии в разработке новых функциональных наноматериалов коренным образом преобразуют ЭУ и ДУ КА. Большие надежды на функциональные  наноматериалы с заданными эксплуатационными характеристиками возлагают и разработчики новых производственных технологий, используемых для изготовления космических двигателей и энергоустановок. Производство энергетических и двигательных установок космических летательных аппаратов (ЭУ и ДУ КА) - это относительно новое ответвление технологии машиностроения, и оно, в частности, связано с широкой номенклатурой используемых материалов, в том числе и наноматериалов (тугоплавкие, жаропрочные, нержавеющие металлы и сплавы, тугоплавкие окислы, карбиды, нитриды и другие соединения, композиционные материалы, монокристаллы, химические и радиационно-активные материалы и др.). Так, при разработке технологий изготовления основных элементов космических ядерных энергетических установок, таких как ТВЭЛы (металлические и керамические, дисперсные, микро- и шаровые), а также преобразовательных модулей ТЭЛП и ТЭП, наряду с традиционными технологиями большое внимание уделяется применению дисперсно упрочнённых наночастицами конструкционных и функциональных  материалов, разработке составов и технологий наноструктурированных соединений урана, использованию наноструктурированных аэрогелей для улучшения свойств применяемых в ЭСУ керамических материалов. При совершенствовании технологий изготовления модулей ТЭЛП установлено, что наноструктурирование термоэлектрических материалов, введение в них наночастиц и наноструктурных элементов, благодаря изменению характера межатомного взаимодействия в таких материалах, является реальным способом повышения эффективности преобразования энергии. Поэтому рассматриваются методы синтеза новых нанокристаллических материалов и использование нанотехнологий для получения стандартных, сегментированных и слоистых гетероструктур с повышенной термоэлектрической добротностью. При изготовлении модулей ТЭП уже в настоящее время до высокой степени совершенства доведены технологии формирования эмиттерного нанослоя на катоде с использованием методов нанесения покрытий с направленной кристаллической ориентацией. Изготовление изделий солнечной энергетики для  космоса уже давно и тесно связано с  вопросами использования материалов и технологий на наноуровне - это технологии формирования рабочих поверхностей солнечных концентраторов (СК), изготовления фотоэлектрических преобразователи (ФЭП) различных конструкций, а также  изготовление перспективных солнечно-парусных двигателей.  В производстве современных  химических  источников тока: гальванических элементов (ГЭ), аккумуляторных батарей (АБ) и топливных элементов (ТЭ), большое внимание уделяется в настоящее время нанотехнологиям, активно используемым при изготовлении таких элементов, как катоды, содержащие интеркалированные фуллерены, наноструктурные углеродные матрицы, предназначенные для хранения водорода, и многих других. Крайне благоприятная ситуация для развития и широкого использования в исследованиях и разработках новых наноматериалов и нанотехнологий сложилась в  производстве космических электроракетных двигателей: электротермических (ЭТД), электромагнитных (ЭМД) и электростатических (ЭСД). В заключение указано, что разработка наноматериалов и нанотехнологий для  ЭУ и ДУ КА является решающим условием  для успешного осуществления длительных миссий в тяжелых условиях космоса.

В докладе проф. Артемьева А.Н. «Применение синхротронного излучения для исследования наноматериалов»  рассмотрены основные свойства синхротронного излучения, проведено сравнение параметров традиционных рентгеновских установок и различных синхротронных установок-станций Курчатовского Центра (СТМ-«Структурное материаловедение», РКФМ и др.), используемых в исследованиях материалов, и в частности, наноматериалов.  Подчеркнуто, что синхротронное излучение современных накопителей и лазеров на свободных электронах на 7 -15 порядков превосходит по яркости традиционные источники рентгеновского излучения. Это обусловило огромное преимущество использования синхротронного излучения, в сравнении с традиционными рентгеновскими методами исследования структуры материалов. Кроме того, с применением синхротронного излучения были развиты и широко применяются совершенно новые методы, невозможные при использовании традиционных источников рентгеновского излучения. Одним из таких уникальных методов является EXAFS – рентгеновская спектроскопия  сверхвысокого разрешения по энергии. Метод дает уникальную информацию о структуре и свойствах наноматериалов (возможно, например, получать информацию о структуре в окрестности первых четырех координационных сфер, типе атомов, локальной атомной и электронной структуре атомов и др.). Основными преимуществами метода являются: избирательность, позволяющая независимо получать кривую радиального распределения атомов для локального окружения каждого из химических элементов объекта исследования, высокая концентрационная чувствительность (до 10-100 частиц/моль), гораздо более высокая разрешающая способность, по сравнению с существующими рентгеновскими методами анализа, относительно малое время регистрации экспериментальных спектров (от миллисекунд до десятков минут) при использовании синхротронного излучения, малый требуемый объем образца (что особенно привлекательно при исследовании образцов наноразмерного масштаба). В докладе обсуждены результаты в области нанодиагностики и наноматериаловедения,  полученные в Курчатовском Центре синхротронных исследований и нанотехнологий при исследовании атомной структуры, макромолекулярной структуры наноматериалов, гетероструктур, сверхрешеток, нанокластеров, мелкодисперсных сред, квантовых точек, радиационных дефектов, углеродных наноструктур, нанокомпозитов и др.

Важной составляющей образовательной программы школы-семинара явилось проведение мастер-классов: «Моделирование наноструктурированных материалов, устойчивых под облучением» (д.т.н., проф. Удовский А.Л., Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН), «Технология формирования и диагностика параметров  растущих наноразмерных пленок» (к.ф.-м.н., доц. Новоселова Е.Г., Московский государственный институт электроники и математики (технический университет). Основной задачей мастер-классов было ознакомление  студентов, аспирантов и молодых ученых с принципами моделирования и создания малоактивированных, радиационностойких функциональных наноматериалов, использования целенаправленного легирования, их возможностями и перспективами для использования в космической технике, сформировать и расширить у участников работы школы-семинара представление о физических явлениях, лежащих в основе поведения разработанных к настоящему времени наноразмерных объектов, функциональных материалов, технологических процессах их получения, формирования и изготовления  структур для космической техники, методах диагностики их параметров, физических принципах их эксплуатации в условиях космической среды, а также их физико-химических характеристиках, дать участникам школы-семинара сведения об особенностях применения наномодифицированных функциональных материалов в космической технике.

Весьма полезные сведения о радиационных условиях космоса, оказывающих влияние на поведение функциональных наноматериалов для космической техники, реализованных и перспективных проектах университетских космических аппаратах, принципах атомистического моделирования при разработке функциональных материалов были получены участниками школы-семинара в ходе лекций, прочитанных ведущими учеными НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, Объединенного института высоких температур РАН: к.ф.-м.н. Красоткиным С.А. (НИИ ЯФ МГУ) «Радиационные условия в космосе», проф. Радченко В.В.(зам. директора НИИ ЯФ МГУ) «Университетские микроспутники», к.ф.-м.н., Стегайловым В.В. (ОИВТ РАН) «Атомистическое моделирование для разработки функциональных наноматериалов». В частности, в лекции к.ф.-м.н. Красоткина С.А. были рассмотрены радиационные условия в космосе, определяемые, в частности, влиянием солнечной активности на межпланетную среду, а также околоземную среду, включающую магнитосферу, ионосферу, атмосферу и радиационные пояса Земли; приведены примеры влияния факторов космической среды на торможение и изменение орбит околоземных спутников, материалы и электронное оборудование космических аппаратов. В лекции проф. Радченко В.В. были обсуждены конкретные реализованные  и перспективные проекты  как иностранных, так и российских университетских космических аппаратов ( Колибри 2000, Можайцы-3,-4,-5  Татьяна-1,-2, Бауманец, Юбилейный, УГАТУСАТ, «Ломоносов»  и др). На примере космических проектов МГУ (Татьяна-1 и Татьяна-2) был рассмотрен круг научных и образовательных задач, которые могут быть решены с помощью университетских спутников и приводятся результаты, полученные в этих экспериментах; приведены примеры непосредственного использования информации, получаемой с университетских спутников в образовательном процессе российских университетов, а именно «Космический практикум», разработанный сотрудниками НИИЯФ МГУ, при выполнении которого любой российский университет может использовать в учебном процессе реальную научную информацию, поступающую с борта университетского космического аппарата, и   «Космофизический практикум», разработанный Лабораторией космических исследований Ульяновского государственного университета на основе космофизических  данных, имеющихся в сети Интернет.

Полезные практические навыки использования современных методов исследования структуры наноматериалов, решения ряда практических задач с применением современных программных средств были получены молодыми участниками школы-семинара в процессе семинарских занятий с элементами инженерного тренинга, проведенных преподавателями Московского государственного института электроники и математики (технического университета) и Московского физико-технического института (государственного университета):  д.ф.-м.н., проф. Бондаренко Г.Г. (МИЭМ), с.н.с. Гайдар А.И. (ГНУ НИИПМТ МИЭМ) «Исследование топографии поверхности функциональных наноматериалов методом растровой электронной микроскопии», к.ф.-м.н. Казённовым А.М. (МФТИ) «Практика программирования в технологии CUDA: работа с глобальной и разделяемой памятью на примерах типичных задач».

Работа школы-семинара велась по четырем секциям:
- математическое моделирование наноструктур;
- физические основы воздействия факторов космического пространства на материалы;
- основы создания и технологии получения функциональных наноматериалов для космической техники;
- перспективные функциональные наноматериалы для космической техники.

На секционных заседаниях были заслушаны  доклады студентов, аспирантов и молодых ученых. Среди вопросов, которым уделялось особое внимание, можно отметить следующие: создание активных экранов на основе наноструктур для защиты космических аппаратов от воздействия радиации и высокоскоростных частиц и анализ их эффективности; теплоизоляторы нового поколения на основе наноматериалов в ракетно-космической технике,  механические и электрофизические свойства самовосстанавливающихся покрытий на основе полимерных микро- и нанокомпозитов для космических аппаратов; структура и механические свойства полиимидных нанопленок с высокой отражательной способностью для нужд аэрокосмической и авиационной техники; исследование воздействия ионизирующих излучений на МДП-струкуры с наноразмерными диэлектрическими пленками; получение наноразмерных структур методом матричного синтеза; структура и физико-механические свойства малоактивируемых материалов, предназначенных для использования в космических аппаратах; повреждаемость функциональных материалов космической техники потоками импульсных излучений; высокоэффективные технологии производства  алмазных пленок для космической техники; создание высокодисперсных наполнителей на кремнийорганической основе для полимерных композиционных материалов авиационно-космического назначения; исследование устойчивости функциональных наноматериалов  к воздействию атомарного кислорода при лабораторной имитации полета в ионосфере и др. Необходимо отметить высокий уровень докладов, представленных участниками школы-семинара. Для участников школы-семинара была организована экскурсия в Центр управления полетами МГУ им. М.В.Ломоносова. Участники школы-семинара дали высокую оценку организации и проведению мероприятия.

Издан сборник трудов школы-семинара объемом 19,4 печ.л., в который, помимо лекций, вошли 53 доклада молодых участников. Отдельные доклады, прочитанные в ходе проведения школы-семинара, рекомендованы Оргкомитетом и переданы в виде статей в редакции профильных научных журналов для опубликования. Информация о школе-семинаре размещена на специально созданном для освещения ее работы веб-сайте www.schs.miem.edu.ru и федеральном интернет-портале «Нанотехнологии и наноматериалы».

Информация предоставлена заместителем председателя Оргкомитета школы-семинара Г.Г.Бондаренко.