Какое давление в космосе: «Какое давление в космосе? Как и чем измеряют космический вакуум? В космосе действительно абсолютный вакуум?» — Яндекс Кью

Чтобы глаза не вылезли: новый спальник спасет зрение астронавтов

Спальный мешок, компенсирующий влияние невесомости на организм, создали ученые из США. Из-за невесомости во время космических миссий повышается внутричерепное давление, что деформирует глазное яблоко и вредит нервам. Мешок оснащен вакуумной системой, которая позволяет добиться отрицательного давления в нижней части тела и обеспечить отток жидкости из верхней — на Земле этот отток происходит благодаря гравитации, как только мы встаем на ноги. Это может не только спасти астронавтов от потери зрения в длительных миссиях, но и защитить их мозг и сердечно-сосудистую систему.

Когда человек находится в невесомости, жидкости в его организме распределяются иначе. На Земле из-за гравитации наибольшее давление наблюдается в нижней части тела. Во время космических полетов количество жидкости в верхней части тела возрастает, из-за чего повышается внутричерепное давление. От него страдают в том числе глаза — избыток жидкости деформирует их, давит на глазной нерв. В краткосрочных миссиях это не наносит особого вреда и на Земле состояние возвращается к норме, но длительные космические перелеты в будущем могут травмировать глаза вплоть до потери зрения.

Этот эффект ученые обнаружили около десяти лет назад. Он остается одной из важнейших проблем в будущем освоении космоса.

«Мы не знаем, насколько серьезными могут быть последствия более длительного полета, например, двухлетнего полета на Марс, — говорит доктор Бенджамин Левин из Юго-западного медицинского центра Техасского университета. — Это будет катастрофа, если у астронавтов будут настолько серьезные нарушения, что они не смогут видеть, что делают, и это поставит под угрозу выполнение миссии».

Более чем у половины астронавтов, пробывших на МКС свыше полугода, наблюдаются проблемы со зрением — у них развивается дальнозоркость, появляются трудности с чтением, требуется помощь членов экипажа в проведении экспериментов. До сих пор лучшим средством для борьбы с этими проблемами были специальные очки, но они не способны защитить глазные яблоки от последствий долгосрочного воздействия.

Кроме того, перераспределение жидкости в невесомости повышает риски развития аритмии, которая может привести к образованию тромбов, инфаркту и инсульту, и от этих осложнений защиты пока нет.

Также астронавты жалуются на то, что совершают в космосе больше ошибок. Пока не ясно, связано ли это с повышенным давлением, но для мозга оно не полезно в любом случае.

Команда Левина в сотрудничестве со специалистами NASA занялась поиском более эффективного решения. Подробнее о результате ученые рассказали в статье в журнале JAMA Ophthalmology.

Сначала исследователи отобрали добровольцев, которые вылечились от рака, но еще не удалили порты для химиотерапии — через них можно было измерять давление в черепе напрямую. Добровольцы отправились на самолете в верхние слои атмосферы, где находились в условиях невесомости. Это позволило наиболее точно выяснить, насколько при отсутствии гравитации может повышаться давление — оказалось, меньше, чем у лежащего человека (на Земле воздействие невесомости на организм имитируют с помощью специальных кроватей, где голова добровольца немного опущена вниз). Но у астронавтов, в отличие от испытуемых на Земле, нет возможности просто встать и привести давление в норму за счет оттока жидкостей вниз.

Тогда команда скооперировалась с компанией, разрабатывающей снаряжение для активного отдыха. Целью было создать спальный мешок, который бы обеспечил необходимый отток жидкостей, создав в нижней части тела отрицательное давление. Подобная технология применяется уже несколько десятилетий для поддержания костной и мышечной массы астронавтов, но она не рассчитана на многочасовое использование и не тестировалась в качестве средства борьбы с внутричерепным давлением.

Вместе ученым и инженерам удалось создать спальный мешок с вакуумной системой, позволявшей обеспечить необходимый эффект. Мешок был герметичен и имел прочный каркас, плотно прилегавший к талии. Верхняя половина тела оставалась снаружи, нижняя же на протяжении сна должна была находиться под воздействием вакуума.

Испытать мешок вызвались десять добровольцев. На протяжении трех дней они лежали в постели, ночами на восемь часов ученые помещали нижнюю половину тела некоторых из них в мешок.

Всего трех дней оказалось достаточно, чтобы глазные яблоки немного деформировались. Однако у тех, кто ночевал в спальном мешке, таких изменений не было.

«Это, пожалуй, одна из наиболее важных медицинских проблем, которые были обнаружены за последнее десятилетие в рамках космической программы, — отмечает Левин. — Я благодарен добровольцам, которые помогают нам понять и, надеюсь, решить проблему».

Исследователям еще предстоит выяснить, сколько времени астронавтам стоит проводить в мешке, нет ли у его долгосрочного использования каких-либо побочных эффектов, насколько он вообще эффективен при длительном регулярном использовании. Но уже сейчас ученые уверены, что технология сможет найти применение в будущих миссиях. Кроме того, помимо защиты глаз, регулирование оттока жидкости, вероятно, позволит снизить и риски развития аритмии.

Honda расширяет границы сферы человеческой деятельности в космосе

Компания Honda выбрала космос в качестве следующей области для собственного развития.  

Honda расширяет границы сферы человеческой деятельности в космосе: система возобновляемых источников энергии, основанная на процессах рециркуляции

Прошло почти пятьдесят лет с тех пор, как люди впервые высадились на Луне, и это событие взволновало весь мир. В 2024 году люди снова попытаются повторить полет. На этот раз планируется построить базу для длительной и непрерывной человеческой деятельности на планете. Honda занимается технологической разработкой ключевой системы, отвечающей за поставку пригодного для дыхания кислорода, водорода для топлива и электроэнергии для целого ряда применений. Honda работает над реализацией мечты об адаптации биосферы естественного спутника Земли: Луна должна стать пригодна для людей, используя лишь доступные ресурсы солнечного света и воды.

Создание пригодной для долгосрочного проживания и активной деятельности инфраструктуры в космическом пространстве

Когда люди впервые высадились на Луну в 1969 году, астронавты пробыли там меньше суток. Соединенные Штаты хотят снова высадиться на Луну к 2024 году, и для этого они учредили программу Артемида (Artemis), цель которой — вернуть людей на Луну, а также построить базу на поверхности спутника.

Для того, чтобы оставаться на поверхности Луны в течение длительного периода времени, человечество должно создать необходимую для этого инфраструктуру. Honda проводит совместные исследования с Японским Агентством Аэрокосмических Исследований (JAXA), международным партнером-участником программы Артемида (Artemis). Направлением совместных исследований является создание системы возобновляемых источников энергии на основе процесса рециркуляции, которая смогла бы использовать солнечный свет и воду, которые, как ожидается, будут доступны на поверхности Луны для производства кислорода для дыхания и его последующей рециркуляции, а также для создания электрической и водородной энергии.

Система возобновляемых источников энергии на основе процесса рециркуляции включает в себя систему электролиза воды с высоким перепадом давления. За счет давления и под воздействием электричества вода расщепляется на водород и кислород. Часть кислорода может быть использована для дыхания людей, в то время как остальная часть может храниться в топливных ячейках для последующей выработки электроэнергии. Из топливных ячеек вода возвращается в систему электролиза воды с высоким перепадом давления, завершая энергетически замкнутый цикл.

Система возобновляемых источников энергии на основе процессов рециркуляции, над которой работает Honda, является частью инфраструктуры, которая позволит человечеству выжить на поверхности Луны, где большинство обычных ресурсов, кроме солнечного света и воды, будут недоступны.

Циркуляция воды в различных формах может производить как водород и энергию электричества, так и кислород для дыхания людей. Процесс циркуляция происходит с постоянной эффективностью.

Как достичь технологии высшего уровня электролиза воды с высоким уровнем дифференциации давления

Водород может быть получен из различных типов ресурсов. Он привлекает внимание как источник энергии нового поколения, который не выделяет углекислый газ. Honda использует этот источник энергии в своей разработке под названием Power Creator (Создатель энергии). В свою очередь эта разработка позволяет электризовать воду для получения водорода, адаптированного для использования в топливных элементах транспортных средств и для водородных станций, которые снабжают водородом домашние хозяйства. Honda разработала систему электролиза воды с высоким перепадом давления, которая является основной технологией для Power Creator.

Молекула водорода состоит из двух атомов водорода. Газообразный водород имеет настолько низкую плотность, что он быстро улетучивается даже при хранении при низком давлении. Чтобы сохранить достаточное количество водорода для применения, необходимо хранить большое количество молекул водорода под высоким давлении в резервуаре. В то время как для осуществления этой задачи обычно используются механические компрессоры, Honda самостоятельно разработала конструкцию дифференцирования давления, способную накапливать водород под высоким давлением без использования компрессора. Этот процесс электролиза воды с высоким перепадом давления позволил достичь одного из самых больших значений перепадов давления в мире.

Блок электролиза воды с высоким перепадом давления слева производит водород и кислород из воды, а блок топливных элементов справа вырабатывает электричество из водорода и кислорода, разряжая при этом воду. Оба этих процесса являются частью основных технологий Honda, разработанных для устойчивого развития общества.

Как технологии Honda помогают в космосе

Система электролиза воды с высоким перепадом давления была высоко оценена сообществом внутри и за рамками компании Honda, как крайне значимая технология. Когда команда разработчиков искала новые решения, они предполагали, что эта технология может стать крайне полезной в космосе или на Луне. В то время исследователи Honda посетили JAXA, чтобы объяснить технологию.

Стоимость транспортировки объекта в космос, как правило, составляет 100 миллионов йен за килограмм. Поэтому оборудование, предназначенное для использования в открытом космосе, должно быть легким и компактным.

На JAXA произвела впечатление система электролиза воды Honda с высоким перепадом давления, позволяющая хранить водород при давлении до 70 МПа, что примерно в 700 раз превышает атмосферное давление на Земле. Их также впечатлили ее легкий вес и компактные размеры, а также низкая частота необходимого технического обслуживания, поскольку в системе отсутствует механический компрессор. Это и послужило поводом к новейшим разработкам компании Honda.

Высота всей системы электролиза воды с высоким перепадом давления составляет всего 980 мм. Сама же установка для электролиза воды представляет собой компактную конструкцию высотой 420 мм и шириной 210 мм.

Создание высокого давления без использования компрессора

Принцип, лежащий в основе электролиза воды с высоким перепадом давления, хорошо известен. Ионы водорода, образующиеся при электролизе, концентрируются при высоких давлениях через электролитическую мембрану. Эта мембрана проницаема для ионов, позволяя ионам водорода (H+), образующимся при электролизе воды, проходить электролитическую мембрану насквозь, где пары атомов водорода соединяются, образуя молекулы водорода (h3). Молекулы водорода продолжают накапливаться, поскольку не могут пройти обратно через мембрану, а давление при этом возрастает.

Толщина электролитической мембраны составляет всего примерно 0,1 мм. Давление в 70 МПа, превышающее земное атмосферное давление примерно в 700 раз, настолько высоко, что оно оказывает усилие в 700 кг на квадратный сантиметр, что приводит к разрыву мембраны. Компания Honda разработала опорную конструкцию, которая выравнивает усилие, прикладываемое к электролитической мембране, а также пористый материал, способный выдерживать такое высокое давление. Это позволило поддерживать такое высокое давление без потери целостности мембраны. Используя разработанные Honda модели для проведения симуляционных испытаний, материалы неоднократно создавались и тестировались, в результате чего был создан подходящий для проекта материал.

Honda занималась разработкой и созданием электролитической мембраны в исследовательских помещениях Honda R&D Co., Ltd. Исследовательский процесс, включающий изготовление реальных материалов и веществ непосредственно на месте проведения исследований, а также применение метода проб и ошибок, в результате привели к созданию уникальной технологии.

Как технологии, разработанные в космосе, могут быть применены на Земле

Окружающая среда на Луне крайне суровая. Температура значительно колеблется между 110 °C днем и -170 °C ночью. Сила тяжести составляет лишь одну шестую часть от земной. Без воздуха поверхность Луны подвергается воздействию огромного количества радиации. Экстремальные условия развития в космосе означают, что люди должны решать сложные задачи, которые ставятся перед технологиями, помимо суровых факторов окружающей среды. Важно также повышать топливную экономичность и эффективность в целом и на Земле. Однако на Луне малейшее снижение эффективности может напрямую привести к увеличению количества солнечных панелей и других материалов, которые необходимо будет транспортировать с Земли, что будет означать увеличение затрат на 100 миллионов йен за килограмм. Поэтому Honda должна работать над максимальной эффективностью, минимальным весом и наименьшими возможными размерами.
Honda будет делать это в надежде, что передовые технологии, полученные в результате стремления к эффективности для удовлетворения сложных требований, будут активно использоваться на Земле. Технологии, необходимые на Луне и в других космических сферах, где необходима экстремальная устойчивость, станут неотъемлемой частью устойчивости и на Земле. Honda убеждена, что жизненно важно развивать циркулирующие системы возобновляемой энергии, поскольку они являются технологией, которая приведет к к углеродной независимости и нейтралитету. В основные компоненты системы электролиза воды с высоким перепадом давления входит также и блок электролиза воды с высоким перепадом давления. Система очень проста и компактна.

Воплощение в жизнь мечты об отправке продукции Honda на Луну

Компания Honda предлагает множество различных продуктов и технологий для использования на суше, на море и в воздухе. Теперь компания Honda выбрала космос в качестве следующей области для собственного развития, полагая, что космос — это область для новых мечтаний и начинаний, где ее основные технологии смогут быть использованы для улучшения жизни людей.

Honda всегда принимала новые вызовы, включая участие в гонке Isle of Man TT, в гонках Формулы-1, экологически чистый двигатель Compound Vortex Controlled Combustion (CVCC) и бизнес-джет HondaJet. Усилия компании Honda по разработке рециркуляционной системы возобновляемых источников энергии станут частью истории ее начинаний. Компания Honda будет стремиться отправлять продукты с логотипом Honda на Луну, а также и помогать реализовать мечту об адаптации биосферы естественного спутника Земли к условиям, пригодным для жизни людей.

Эйдзи Харью (Eiji Haryu)
Передовые инновационные исследования,
Энергоблок и энергия
Honda R&D Co., Ltd.
Присоединившись к компании Honda в 2004 году, Харью занимался исследованиями технологий электролиза воды с высоким перепадом давления и разработкой проекта Power Creator, который включает в себя эти технологии. С 2019 года он является менеджером прикладных исследований в области разработки технологий электролиза воды с высоким перепадом давления для применения в новой области космического пространства.

В кильватере – вакуум

: 22 Июл 2011 , Сокровища суть не деньги, а добрые дела , том 39,
№3

На околоземной орбите, где летают искусственные спутники Земли, давление «атмосферы» в миллионы раз меньше, чем на поверхности планеты. Такие условия близки к идеальным для производства веществ, требующих высокого уровня чистоты, например, полупроводников. Тем не менее для получения сверхчистых материалов, потребность в которых уже сегодня велика, необходим еще более глубокий вакуум. Решение этой проблемы существует – для ультравакуумирования достаточно разогнать в космосе производственный мини-цех до таких скоростей, когда молекулы вещества просто не могут его «догнать»

Полупроводники – весьма деликатные материалы: они кардинально меняют свои свойства при попадании в их структуру чужеродных атомов даже в очень малой концентрации. Особенно это катастрофично для тонкоплeночных (толщиной менее 0,1 мкм) нанопокрытий. Поэтому синтез таких материалов необходимо осуществлять в предельно «стерильной» обстановке, т. е. в отсутствии кислорода, азота, водяного пара и даже инертных газов. А лучше всего – в глубоком вакууме, ведь чистота материала прямо пропорциональна степени разреженности атмосферы.

Вся история вакуумной техники и связанных с ней технологий состоит из непрерывной и тяжелой борьбы за сверхвысокий и чистый космический вакуум в тесных и жестких рамках наземных условий. Каждый новый успех в этой области достигнут человеком во­преки земной природе, которая так «боится» пустоты. Стоимость современных криогенных установок, генерирующих сверхглубокий вакуум (остаточное давление порядка 10–12 атм), исчисляется миллионами долларов, а общие затраты на разработку новых установок едва ли вообще поддаются оценке.

Еще более двух тысячелетий назад знаменитый грече­ский философ Аристотель дал абсолютно правильное определение физическому вакууму: «Пустота (вакуум) – это есть пространство, которое образуется в следе камня, выпущенного из пращи; правда, она моментально исчезает, поскольку сюда устремляются частицы из окружающего пространства. ..» (Терентьев, 1999). И если бы Аристотель так закончил эту мысль: «…когда мы разгоним камень до скорости, сравнимой со скоростью всех частиц окружающей среды, то за ним в полете всегда будет существовать абсолютно пустое пространство», то он бы стал автором самого современного способа получения сверхглубокого вакуума!

И чем более сильное разрежение требуется, тем больше расходуется энергии и жидких азота и гелия, необходимых для эксплуатации вакуумного оборудования. Иными словами, технология глубокого вакуумирования является настолько затратной, что доставка оборудования для синтеза полупроводниковых наноструктур в космос, который является «хранилищем» природного вакуума, во многих случаях может оказаться дешевле.

Однако на околоземной орбите даже на тысячекилометровой высоте давление разреженного газа составляет как минимум 10–7 атм, а этого недостаточно для получения полупроводниковых наноэлементов надлежащего качества. Однако способ решения проблемы существует: сверхглубокий вакуум можно получить в кильватере предмета, летящего с большой скоростью.

Под молекулярным экраном

Идею получения сверхвысокого вакуума впервые высказал американский физик Р. Н. Костоф еще в 1970 г. Но лишь спустя шесть лет группа американских исследователей во главе с Л. Мелфи провела и опубликовала (без ссылок на Костофа) теоретический анализ состояния газовой среды вокруг летящего в «безвоздушном» пространстве объекта и сформулировала концепцию орбитальной лаборатории, внутри которой будет поддерживаться сверхразре­жение. Эта работа проводилась при под­держке Нацио­нального управления федерального ­правительства США по воздухоплаванию и исследованию космиче­ского пространства.

Мелфи показал, что если в космосе со скоростью нескольких километров в секунду будет лететь защитный экран (в виде поперечно ориентированного по направлению движения диска или полусферы), то в его кильватерной области образуется конусный «след», практически лишенный вещества. На низких орбитах для этого не потребуется и особых затрат энергии, так как речь идет об обычной (первой космической) скорости свободного обращения спутника вокруг Земли.

Теоретически появление одной молекулы кислорода (основного компонента газовой среды на высоте 200—400 км) на площадке в 1 м2 тыльной стороны такого экрана придется ожидать тысячи лет. Общее давление среды за экраном будет определяться лишь редкими молекулами гелия и водорода, источником которых является Солнце, а также молекулами веществ, испаряющихся с поверхности самого экрана.

В 1989 г. американским Центром эпитаксии в космическом вакууме (Хьюстонский университет) были инициированы экспериментальные исследования возможности достижения супервакуума в условиях открытого космоса с целью получения полупроводниковых тонкоплeночных многослойных систем. Под руководством профессора А. Игнатьева был сконструирован «молекулярный экран» – стальной щит в форме диска, сзади которого располагалось лабораторное оборудование.

Для создания многослойных тонко­плeночных полупроводниковых материалов толщиной менее 0,1 мкм успешно используется метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) – ориентированного наращивания одного кристаллического материала на поверхность другого.


С помощью этого метода уже сегодня получают уникальные наноструктуры, которые могут быть использованы в качестве элементной базы наноэлектроники и нанофотоники будущего, в том числе ультравысокочастотных транзисторов, высоко­чувствительных фотоприeмных устройств в широком диапазоне длин волн, высокоэффективных лазеров вплоть до испускающих одиночные фотоны

Уже в первых космических экспериментах был реально получен вакуум с давлением на два порядка ниже, чем в окружающей среде. При этом не потребовалось дорогостоящее криогенное оборудование, потому что в условиях открытого космоса из рабочей зоны лаборатории естественным образом происходила максимально быстрая откачка всех компонентов газовой среды, включая инертные газы. Нагрев щита солнечными лучами способствовал удалению загрязнений с его поверхности, а остывание в тени земного шара позволяло свести до минимума собственное газоотделение материала щита, поэтому сверхнизкое давление во время синтеза полупроводниковых пленок было стабильным.

Три серии натурных экспериментов, проведенные в 1994—1996 гг., дали много важной научной и технологической информации о возможности получения уникальных полупроводниковых материалов в открытом космосе, где отсутствуют принципиальные ограничения традиционных наземных вакуумных технологических процессов. Однако после трагической гибели в 2003 г. экипажа корабля «Колумбия» американские эксперименты были приостановлены.

Русские не отстают

Исследовательские работы по использованию космического вакуума для выращивания полупроводниковых тонкопленочных многослойных систем и наноструктур проводятся не только в США. В нашей стране одним из лидеров в области сверхвысоковакуумной технологии и оборудования является Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск). Среди направлений его деятельности не последнее место занимает промышленно-ориентированное производство многослойных тонкоплeночных полупроводниковых материалов, в частности методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Предложенный институтом проект «Экран» по выращиванию тонкоплeночных композиций на российском орбитальном комплексе «Мир» был впервые рассмотрен на совещании секции космического материаловедения Совета по космосу РАН в 1995 г. и получил поддержку экспертов. Вскоре в Новосибирске по заказу Международного научно-технического центра (МНТЦ) полезных нагрузок космических объектов (г. Мытищи) и Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» им. С. П. Королeва (г. Королев) был спроектирован и изготовлен первый в стране имитатор космического вакуума. В рамках программы «Эпитаксия» секции фундаментальных космических исследований РАН и договора на выполнение особо важных работ для государственных нужд в ИФП было разработано и испытано технологическое оборудование для выращивания полупроводниковых пленок в условиях открытого космического пространства.

Что касается самого экрана, обеспечивающего сверхглубокий вакуум, то его создание явилось результатом успешной межинститутской, межведомственной и даже межгосударственной кооперации. Так, в новосибирском Институте теоретической и прикладной механики СО РАН был сделан газодинамический расчeт различных вариантов формы экрана. Сотрудники МНТЦ и РКК выполнили экспериментальное и теоретическое исследование состояния газовой среды в окрестности космических объектов, на которых он будет базироваться. Там же была разработана оригинальная конструкция экрана и контрольно-измерительная аппаратура, а его опытный образец был изготовлен в Институте электросварки им. Е. О. Патона (Киев, Украина). Созданием систем энергоснабжения и бортовых средств автоматизации и телеметрии в наземном варианте занялся отдел электронной системотехники ИФП, а в космическом исполнении – фирма «Электрон» (г. Красноярск).

В отличие от американского плоского «щита» наш экран выглядел как ажурный «зонтик», на спицы которого была натянута многослойная фольга со специальным покрытием, позволяющим предотвра­тить испарение с поверхности. Первые испытания деталей конструкции молекулярного экрана успешно прошли на орбитальной станции «Мир» в 1998 г. : материал экрана выдержал пребывание в открытом космосе даже в период прохождения Земли сквозь метеорный поток «Леониды».

Однако дальнейшим планам учeных не суждено было осуществиться: 21 марта 2001 г. орбитальная станция «Мир» была затоплена в водах Тихого океана. За этим событием последовало и прекращение финансирования космических проектов.

Однако история на этом не заканчивается. В 2004 г. был подписан Меморандум о сотрудничестве в области космического материаловедения между Хьюстонским университетом и ИФП СО РАН. Проект «Экран» стал международным. Через два года к нему присоединился и казахстанский Физико-технический институт (г. Алматы). В ИФП возобновилась работа над созданием новой научной аппаратуры для экспериментов по эпитаксии, теперь уже в условиях российского сегмента Международной космической станции.

В 2006—2009 гг. в рамках работы над проектом на Опытном заводе СО РАН и экспериментальном производстве ИФП при участии Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН было изготовлено два комплекта наземного сверхвысоковакуумного оборудования для выращивания полупроводниковых наноструктур. Эти установки были размещены в Новосибирском государственном техническом университете и Томском государственном университете.

Ближайший этап совместных работ связан с наземными экспериментами по отработке технологии синтеза разнообразных полупроводниковых наноэлементов для электронных приборов и фоточувствительного оборудования. Для этого в институте был разработан имитатор космического вакуума «Эпицентр», который сейчас проходит лабораторные испытания. Копию этого оборудования предполагается установить на кафедре технической физики Сибирского аэрокосмического университета (г. Красноярск), где будут готовить специалистов по новой космической технологии. В дальнейшем планируется изготовление аналогичного оборудования также для американской и казахстанской сторон.

Вакуум необходим не только для производства полупроводников. Есть химические и биохимические процессы, крайне чувствительные к малейшим примесям в среде. И в будущем космические вакуумные технологии могут использоваться в самых разных, зачастую неожиданных, областях.

Однако в ближайшей перспективе основная коммерческая выгода от этой технологии связана с производством высокоэффективных солнечных батарей, которые очень востребованы в космосе, где нет других источников энергии. Благодаря таким установкам, как молекулярный экран, можно будет изготавливать эти батареи непосредственно на орбите и там же их эксплуатировать.

Литература

Бержатый В. И. и др. Перспективы реализации вакуум­ных технологий в условиях орбитального полета // Автоматическая сварка, 1999. № 10. С. 108—116 //

Поверхность, 2001. № 9. с. 63—72.

Пчеляков О. П. и др. Полупроводниковые вакуумные техно­логии в космическом пространстве: история, состояние, перспективы // Поверхность, 2004. № 6. с. 69—76.

Терентьев М. В. Об истории и развитии понятия физического вакуума. М.: Фазис, 1999.

Pchelyakov O.  P. et al. Epitaxy of compound semiconductor from molecular beams in space vacuum behind molecular shield // Proc. of Joint X Europ. and VI Russian symp. on Phys. Sci. in Microgravity. On physical sciences in microgravity, 1997. V. II. P. 144—149.

Strozier J. A. et al. Wake vacuum measurement and analysis for the wake shield facility free flying platform // Vacuum, 2002. V. 64. P. 119—144.

В публикации использованы фото из архива автора и В. Новикова

: 22 Июл 2011 , Сокровища суть не деньги, а добрые дела , том 39,
№3

Центральное венозное давление в космосе

Клинические испытания

. 1996 г., июль; 81 (1): 19–25.

doi: 10.1152/jappl.1996.81.1.19.

Джей Си Баки мл.
1
 , Ф. А. Гаффни, Л. Д. Лейн, Б. Д. Левин, Д. Э. Уотенпо, С. Дж. Райт, К. В. Янси-младший, Д. М. Мейер, К. Г. Бломквист

Сотрудники,

Принадлежности

Соавторы

  • Ф. А. Гаффни
    2
     , К. Г. Блумквист
    3

Принадлежности

  • 1 Отделение внутренних болезней Юго-западного медицинского центра Техасского университета, Даллас 75235-9034, США.
  • 2 Вандербильт Ю., Нэшвилл, Теннесси
  • 3 U TX Southwestern Med Ctr, Dallas

  • PMID:

    8828643

  • DOI:

    10. 1152/яппл.1996.81.1.19

Клинические испытания

J C Buckey Jr et al.

J Appl Physiol (1985).

1996 июля

. 1996 г., июль; 81 (1): 19–25.

doi: 10.1152/jappl.1996.81.1.19.

Авторы

Джей Си Баки мл.
1
 , Ф. А. Гаффни, Л. Д. Лейн, Б. Д. Левин, Д. Э. Уотенпо, С. Дж. Райт, К. В. Янси-младший, Д. М. Мейер, К. Г. Бломквист

Соавторы

  • Ф. А. Гаффни
    2
     , К. Г. Блумквист
    3

Принадлежности

  • 1 Отделение внутренних болезней Юго-западного медицинского центра Техасского университета, Даллас 75235-9034, США.
  • 2 Вандербильт Ю., Нэшвилл, Теннесси
  • 3 U TX Southwestern Med Ctr, Даллас

  • PMID:

    8828643

  • DOI:

    10.1152/яппл.1996.81.1.19

Абстрактный

Гравитация значительно влияет на давление наполнения сердца и внутрисосудистое распределение жидкости. Большой центральный сдвиг жидкости происходит, когда все гидростатические градиенты исчезают при входе в микрогравитацию (микроG). Понимание динамики этого сдвига требует постоянного мониторинга давления наполнения сердца; Измерение центрального венозного давления (ЦВД) является единственным возможным средством достижения этой цели. Мы напрямую измерили ЦВД у трех субъектов: одного на борту космического корабля Spacelab Life Sciences-1 и двух на борту космического корабля Spacelab Life Sciences-2. Непрерывные измерения ЦВД с катетером 4 Fr начались за 4 часа до запуска и продолжались в микроГ. Среднее ЦВД составляло 8,4 см·ч30 в положении сидя перед полетом, 15,0 см·ч30 в положении лежа на спине с поднятыми ногами в челноке и 2,5 см·ч30 через 10 минут в микроГ. Хотя ЦВД снизился, конечно-диастолический размер левого желудочка, измеренный с помощью эхокардиографии, увеличился со среднего значения 4,60 см в положении лежа перед полетом до 4,9 см.7 см в течение 48 часов в микроГ. Эти данные согласуются с повышенным наполнением сердца на ранней стадии микроГ, несмотря на снижение ЦВД, предполагая, что взаимосвязь между ЦВД и фактическим трансмуральным давлением наполнения левого желудочка изменяется в микроГ.

Похожие статьи

  • Центральное венозное давление у человека в условиях микрогравитации.

    Foldager N, Andersen TA, Jessen FB, Ellegaard P, Stadeager C, Videbaek R, Norsk P.
    Фолдагер Н. и др.
    J Appl Physiol (1985). 1996 г., июль; 81 (1): 408-12. doi: 10.1152/jappl.1996.81.1.408.
    J Appl Physiol (1985). 1996.

    PMID: 8828692

    Клиническое испытание.

  • Циркуляционное давление наполнения во время нестационарной микрогравитации, вызванной параболическим полетом.

    Латам Р.Д., Фэнтон Дж.В., Уайт К.Д., Верналис М.Н., Крисман Р.П., Кениг СК.
    Латам Р.Д. и соавт.
    Физиолог. 1993; 36 (1 Приложение): S18-9.
    Физиолог. 1993.

    PMID: 11537424

  • Клинические аспекты контроля объема плазмы в условиях микрогравитации и при возврате к одной гравитации.

    Конвертино В.А.
    Конвертино В. А.
    Медицинские спортивные упражнения. 1996 г., 28 октября (дополнение 10): S45-52. doi: 10.1097/00005768-199610000-00033.
    Медицинские спортивные упражнения. 1996.

    PMID: 8897404

    Обзор.

  • Летные эксперименты Spacelab Life Sciences: комплексный подход к изучению сердечно-сосудистой недостаточности и ортостатической гипотензии.

    Гаффни Ф.А.
    Гаффни Ф.А.
    Акта Астронавт. 1987;15(5):291-4. doi: 10.1016/0094-5765(87)

    • -9.
    Акта Астронавт. 1987.

    PMID: 11538833

    Обзор.

  • О ходе исследований изменений центрального венозного давления в условиях искусственной невесомости и микрогравитации.

    Ван Д.С., Сунь Л., Сян К.Л., Рен В.
    Ван Д.С. и соавт.
    Space Med Med Eng (Пекин). 1999 Декабрь; 12 (6): 459-63.
    Space Med Med Eng (Пекин). 1999.

    PMID: 12434816

    Обзор.
    Китайский язык.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

  • Острые последствия постуральных изменений и положительного и отрицательного давления нижней части тела на глаза.

    Ван Акин М.П., ​​Ланц О.М., Товарищи А.М., Тутен-Кидд С., Зеганс М., Баки Дж.С., Андерсон А.П.
    Ван Акин, член парламента, и др.
    Фронт Физиол. 2022 31 авг;13:933450. doi: 10.3389/fphys.2022.933450. Электронная коллекция 2022.
    Фронт Физиол. 2022.

    PMID: 36117718
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Внедрение противодействия физическим упражнениям во время космических полетов и аналоговых исследований в условиях микрогравитации: разработка протоколов противодействия постельному режиму у пожилых людей (BROA).

    Хедж Э.Т., Паттерсон К.А., Мастрандреа С.Дж., Соняк В., Хадж-Бутрос Г., Фауст А., Морайс Д.А., Хьюсон Р.Л.
    Хедж Э.Т. и др.
    Фронт Физиол. 2022 9 авг.;13:928313. doi: 10.3389/fphys.2022.928313. Электронная коллекция 2022.
    Фронт Физиол. 2022.

    PMID: 36017336
    Бесплатная статья ЧВК.

    Обзор.

  • Теория того, почему развивается нейроглазной синдром, связанный с космическим полетом.

    Buckey JC, Lan M, Phillips SD, Archambault-Leger V, Fellows AM.
    Баки Дж. К. и др.
    J Appl Physiol (1985). 2022 1 мая; 132(5):1201-1203. doi: 10.1152/japplphysiol.00854.2021. Epub 2022 24 февраля.
    J Appl Physiol (1985). 2022.

    PMID: 35201930
    Бесплатная статья ЧВК.

    Аннотация недоступна.

  • Сердечно-сосудистая система в космосе: внимание к исследованиям in vivo и in vitro.

    Баран Р., Маршал С., Гарсия Кампос С., Ренберг Э., Табери К., Базелет Б., Вехланд М., Гримм Д., Баату С.
    Баран Р. и др.
    Биомедицины. 2021 28 декабря; 10 (1): 59. doi: 10.3390/биомедицина 10010059.
    Биомедицины. 2021.

    PMID: 35052739Бесплатная статья ЧВК.

    Обзор.

  • Косвенное измерение абсолютного сердечного выброса во время упражнений в моделируемой измененной гравитации сильно зависит от метода.

    Уиттл Р.С., Стэплтон Л.М., Петерсен Л.Г., Диас-Артилес А.
    Уиттл Р.С. и др.
    J Clin Monit Comput. 2022 окт; 36 (5): 1355-1366. doi: 10.1007/s10877-021-00769-y. Epub 2021 22 октября.
    J Clin Monit Comput. 2022.

    PMID: 34677821

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

Типы публикаций

термины MeSH

Вакуумное давление | Общие сведения о вакуумных присосках

Атмосферное давление

Земля имеет диаметр 7 900 миль (12 715 км) и покрыта слоем газа толщиной около 60 миль (96,6 км), который называется атмосферой. Эта смесь газов состоит из 78% азота и 21% кислорода, а также следовых количеств многих других газов, которые в совокупности составляют атмосферный «воздух», которым мы все дышим.

Гравитационное поле Земли удерживает атмосферу так, что она вращается в унисон с Землей, а атмосферное давление на любой высоте представляет собой просто сумму веса всех молекул воздуха в столбе выше этой точки. По мере увеличения высоты плотность воздуха уменьшается, и в более коротком столбце над точкой измерения будет меньше молекул. Легко понять, почему атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. На высоте 62 мили (100 километров) и выше атмосферное давление приближается к нулю. Даже в глубоком космосе все еще есть несколько молекул газа на кубическую милю, поэтому истинное абсолютное нулевое давление не достигается, хотя оно очень близко.

Международный стандарт атмосферы (ISA)

Международная стандартная атмосфера (МСА) определяется как среднее атмосферное давление 29,92 дюйма рт. ст. (760 мм рт. ст.) при 59 ° F (15 ° C) в сухом воздухе на уровне моря. Другими эквивалентными единицами являются 14,72 фунта на кв. дюйм, 1 бар и 101,3 кПа. Чтобы усложнить ситуацию, прибор, используемый для измерения атмосферного давления, представляет собой барометр, а атмосферное давление обычно называют барометрическим давлением, поэтому эти два термина могут использоваться как синонимы.

Помимо высоты над уровнем моря на атмосферное давление в меньшей степени влияют температура воздуха, местные погодные условия и другие переменные. Атмосферу возмущают погодные системы, которые могут вызывать системы «высокого» или «низкого» давления, увеличивая или уменьшая толщину местного атмосферного слоя. Что мы обычно слышим от синоптиков, так это то, что атмосферное давление «падает» и вызывает бурю, или что атмосферное давление «повышается», поэтому прогнозируются солнечные дни.

 

Вакуумное давление

Вакуум — это просто давление, которое меньше окружающего атмосферного давления. По сути, это разница в давлении или перепад, который можно использовать для выполнения работы. Поскольку вакуум по определению является отрицательным давлением, общая терминология высокого и низкого вакуума может сбивать с толку. Предпочтительной терминологией является глубокий вакуум или неглубокий вакуум. Оба из которых относятся к местному атмосферному давлению. Единицы измерения положительного давления и вакуумметрического давления одинаковы, но знак минус (-) или слово «вакуум» означает отрицательное давление по отношению к атмосфере.

Вакуумметр имеет откалиброванный механизм, который привязан к местному атмосферному давлению, поэтому отображаемое значение представляет собой величину, на которую измеренное давление ниже атмосферного давления. Это удобно, поскольку измеренный «манометрический» уровень вакуума представляет собой перепад давления вакуума, который доступен для выполнения работы, и, таким образом, может использоваться непосредственно для расчета силы вакуума, которая прямо пропорциональна давлению вакуума и площади уплотнения, на которую она воздействует.

Свяжитесь с нами

Зависимость между атмосферным давлением, положительным манометрическим давлением, давлением ниже атмосферного (вакуум) и абсолютным нулем показана на предыдущем рисунке. Абсолютное измерение всегда положительно, потому что оно отсчитывается от абсолютного нуля. Показана линия давления ниже атмосферного, где абсолютное давление является постоянным в течение трехдневного периода. Синусоида представляет собой нормальное изменение атмосферного давления, которое может произойти за один и тот же трехдневный период. Вакуумное давление измеряется от кривой атмосферного давления до линии ниже атмосферного давления, и можно легко увидеть, что величина доступного вакуумного давления различна для каждого из трех дней. Фактически способность выполнять работу (перепад давления) изменяется в зависимости от атмосферного (барометрического) давления. Вот почему мы рекомендуем использовать среднее, а не глубокое вакуумметрическое давление при проектировании вакуумных систем.

На Земле вакуум не является самоподдерживающимся, так как уплотнения дают протечки, а большинство материалов проницаемы на мгновение. Со временем через материал будет протянуто такое количество молекул воздуха, что вакуум «потеряется» из-за выравнивания с атмосферным давлением. Чтобы поддерживать вакуум в течение длительного периода времени, вакуумный насос должен периодически откачивать молекулы воздуха для поддержания желаемого вакуумного давления. В зависимости от проницаемости материала (пористости) может потребоваться непрерывная откачка для поддержания желаемого давления вакуума.

Поток вакуума

Производительность вакуумного насоса определяется его кривой производительности, которая представляет собой просто график скорости потока вакуума, который он способен создавать при определенном давлении вакуума. По мере увеличения вакуумметрического давления становится все труднее удалять (откачивать) дополнительные молекулы воздуха, поэтому скорость вакуумного потока уменьшается до тех пор, пока не станет равной нулю при самом глубоком достижимом вакуумметрическом давлении. Вакуумный расход всегда будет самым высоким при атмосферном давлении (нулевой вакуум), когда насос работает без нагрузки. Многие производители насосов рекламируют эффективность своих насосов с помощью этого вводящего в заблуждение числа. На самом деле эта спецификация бессмысленна, так как сила не может быть развита и работа не может быть выполнена, если не создается вакуумное давление.

Свяжитесь с нами

Вакуумное давление определяет величину силы, которая может быть развита для удержания заготовки или переноски груза. Для герметичной системы без утечек две основные проблемы: какое вакуумметрическое давление необходимо и как быстро можно откачать систему до необходимого вакуумметрического давления? Поскольку система герметична, использование более крупного вакуумного насоса сократит время откачки, но не повысит вакуумное давление в системе, поскольку при наличии достаточного времени даже небольшой вакуумный насос достигнет максимального вакуумного давления. Вакуумный насос большего размера будет потреблять больше энергии без увеличения нагрузочной способности системы, поэтому важно не завышать мощность вакуумного насоса для герметичной системы.

Однако, если заготовка является пористой (проницаемой) или в системе имеется утечка, вакуумный насос должен создавать достаточную скорость вакуумного потока, чтобы преодолеть утечку и при этом достичь необходимого вакуумного давления. Насос также должен иметь достаточную избыточную производительность, чтобы компенсировать возможные будущие изменения пористости заготовок — мы обнаружили колебания пористости гофрированного картона 4:1 среди поставщиков, поставляющих коробки одному и тому же конечному пользователю.

Свяжитесь с нами

Расход пористости системы увеличивается непосредственно с увеличением вакуумметрического давления, в то время как расход насоса уменьшается с увеличением вакуумметрического давления в соответствии с его рабочими характеристиками. В результате удвоение производительности вакуумного насоса в пористой системе удвоит потребление энергии (потребление воздуха), но приведет лишь к меньшему увеличению вакуумметрического давления. При более глубоком давлении вакуума в системе эффект убывающей отдачи становится более выраженным, поэтому это еще одна причина разрабатывать системы для правильной работы при среднем давлении вакуума за счет простого увеличения эффективной площади, на которую действует давление вакуума.

Мы предлагаем бесплатную оценку пористости и помощь в выборе вакуумного насоса. EDCO USA сделает за вас расчеты и поможет выбрать правильный насос для вашего применения.

Гигантские волны давления колеблются в атмосфере

Наука

Ученые впервые выдвинули теории о волнах 220 лет назад. В июне они наконец нашли веские доказательства.

Чарли Вуд и журнал Quanta

Space Frontiers / Getty

Атмосфера представляет собой такое бурлящее месиво, что не поддается анализу даже с помощью самых сложных современных метеорологических алгоритмов. Но его сложность не помешала французскому ученому Пьеру-Симону Лапласу раскрыть один простой аспект поведения атмосферы в конце 1700-х годов. Несмотря на то, что он никогда не видел глобальную карту погоды, Лаплас разработал теорию, предсказывающую, что волны давления размером с континент будут периодически охватывать земной шар.

«Моделирование атмосферы с помощью карандаша и бумаги было чертовски грубым до 20-го века, и все же Лапласу удалось это сделать», — говорит Дэвид Рэндалл, атмосферный ученый из Университета штата Колорадо. — Я думаю, это поразительно.

Идеи Лапласа положили начало многовековому поиску таких волн. Но колебания оказались столь же мягкими, сколь и гигантскими, упорно отказываясь открыться даже некоторым из самых громких имен в физических науках.

Наконец-то поиск окончен. Новый изысканный набор метеорологических данных открыл то, что упустили миллионы показаний барометра: ансамбль волн, которые мчатся вокруг Земли, покрывая ее лоскутным одеялом из зон высокого и низкого давления. Это обнаружение является ошеломляющим подтверждением старинной теории.

«Это действительно красивая работа», — говорит Лео Доннер, геофизик из Принстонского университета, не участвовавший в исследовании.

Лаплас задался вопросом, до какой степени Луна гравитационно сжимает воздух, окружающий нашу планету, и решил проанализировать типы волн, которые могут возникнуть в результате этого. Он представил атмосферу в виде тонкой жидкости на гладкой сфере и пришел к выводу, что гравитация должна прижимать один класс волн к земле, где они будут двигаться более или менее горизонтально: двумерные волны, охватывающие поверхность планеты. «Он действительно был первым, кто представил себе эту картину», — говорит Кевин Гамильтон, почетный профессор Гавайского университета в Маноа и соавтор нового исследования. «Это было удивительное озарение».

Лаплас не дал названия этим волнам и не исследовал их поведение в деталях, но современные атмосферные ученые теперь описывают их как «нормальные моды» — волны, которые резонируют, как звон колокола. Самый простой режим повышает давление в одном полушарии и понижает его в другом. Более энергичные моды создают шахматные узоры из меньших зон высокого и низкого давления. Они мчатся по всему миру, в основном на восток и запад, со скоростью, превышающей скорость большинства пассажирских самолетов.

Хотя Лаплас начал с размышлений о влиянии Луны, волны возникают больше из общего земного столпотворения: бушуют бури. Ветры обрушиваются на горные хребты. Турбулентность еще больше мешает котлу. Некоторая часть энергии от этих коллективных злоупотреблений зажигает нормальные лады, которые являются единственными тонами, на которые может реагировать атмосфера. «Это похоже на то, как котенок ходит по клавишам фортепиано, — говорит Рэндалл, — случайные удары могут показать вам, какие струны в фортепиано».

Лаплас внушил людям идею о том, что такие волны могут существовать, а его математика дала физикам инструменты для расчета настройки атмосферы. Но сможет ли кто-нибудь услышать его ноты?

Примерно в то же время, когда Лаплас выпустил свою модель, исследователи и натуралисты, в том числе Александр фон Гумбольдт, заметили, что давление в тропиках повышается и падает каждые 12 часов. Ежедневное время связывало изменения с нагревом от солнца, но теоретики не могли объяснить, почему эффект был таким большим. Эта загадка продолжала озадачивать ученых почти столетие, пока в 1882 году лорд Кельвин не догадался, что цикл солнечного нагревания резонирует с одним из «свободных колебаний» Лапласа. Он думал, что солнце может дать невероятный толчок, потому что оно создает вибрации точно с частотой одного из колебаний Лапласа, примерно так же, как оперный певец может разбить бокал с вином нужной высоты звука. Его предположение оказалось неверным — исследователи XIX60-е годы определили, что более сложное явление усиливает солнечное влияние, но это побудило ученых проработать количественные детали теории Лапласа и точно рассчитать, какие частоты должны иметь нормальные моды.

Самые нижние записи, соответствующие этим предсказаниям, не попадали в научные записи до 1980-х годов — сначала из анализа японского метеоролога Таро Мацуно, а затем из другого, проведенного Гамильтоном и Роландо Гарсия, теперь в Национальном центре атмосферных исследований. Гамильтон и Гарсия наткнулись на идеальный набор данных: метеостанция в колониальной Индонезии, которая проводила ежечасные измерения давления в течение большей части века, но пропустила всего два показания за 79 лет.годы.

Запись была столь же тщательной, сколь и продолжительной: исследователи полагались на микроскоп, чтобы регистрировать смещения ртути с точностью до одной сотой дюйма. Анализируя этот и другие наборы данных, Гамильтон и Гарсия смогли выделить следы одной из самых длинных нормальных мод.

Более короткие волны казались недоступными до прошлого года, когда Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды выпустил набор данных под названием ERA5. Этот продукт объединяет показания тысяч наземных станций, метеозондов и спутников и использует погодные модели для разумного заполнения пробелов. Полученный набор данных предназначен для восстановления той же информации, которая была бы получена глобальной сетью метеостанций, расположенных через каждые 10 километров и снимающих показания каждый час с 1979 по 2016.

Такатоши Сакадзаки, доцент Киотского университета в Японии, не искал волны Лапласа, когда вышла ERA5. Первоначально он был сосредоточен на колебаниях температуры и рассматривал пики давления как нежелательный шум. Но когда он понял, что они могут быть нормальными модами, он наложил их на теоретические ожидания, и вуаля: «Я обнаружил, что они почти полностью совпадают», — говорит он.