Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Начальный этап проекта «Знамя-2,5» прошел без замечаний, в строгом соответствии с запланированной программой эксперимента. Корабль был успешно выведен на орбиту и состыкован с орбитальной станцией «Мир», в составе которой находился до февраля 1999 года. Основной этап эксперимента по развертыванию отражателя начался сразу же после отстыковки грузового корабля от станции 4 февраля 1999 года. К сожалению, дальнейший его ход был прекращен из-за несогласованности в работе обеспечивающих систем (ошибки в автоматической программе управления кораблем). Команда на открытие антенны не была блокирована, полотнище отражателя зацепилось за эту открытую антенну и пришло в негодность.

В настоящее время остается неоднозначная оценка результатов проведенных экспериментов, а также подвергается сомнению целесообразность дальнейших исследований в этой области. Перед началом эксперимента «Знамя-2,5» на собрании Международного астрономического союза астрономы выражали беспокойство, что будут созданы помехи для наблюдения ночного неба, так как лучом рефлектора могут быть уничтожены чувствительные астрономические детекторы. Также высказывались опасения, что по аналогии с улицами городов и экранами телевизоров, вскоре и «романтическое» ночное небо будет не загадочно мерцать миллиардами звезд, а светиться лучами, которые будут проецировать рекламу на огромные площади, что впрочем вполне возможно.

Однако, по нашему мнению, реализация данной программы имеет громадное практическое и экономическое значение, например, для ночного освещения таких крупных городов, как Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, освещения городов в высокоширотных районах, особенно в период долгой полярной ночи, а также для работ, проводимых в чрезвычайных ситуациях на больших и удаленных территориях.

В настоящее время российскими учеными из Консорциума «Космическая регата» ведется подготовка к осуществлению принципиально нового этапа данного эксперимента – «Знамя-3». Проект по-прежнему предполагает использование для вывода на околоземную орбиту конструкции солнечного отражателя отечественным грузовым кораблем «Прогресс». В конструкцию грузового отсека корабля будет встроен рефлектор солнечного отражателя диаметром 60–70 м, что уже в 2,5 раза превосходит предыдущие показатели. При этом современные возможности нанотехнологий по созданию тонких металлизированных пленок могут не только обеспечить изготовление экрана таких размеров, но и позволить значительно снизить общий вес конструкции.

Система следующего поколения солнечных отражателей должна состоять из группы (10–12 штук) космических рефлекторов (диаметром более 200 м), отражающих солнечный свет с орбиты высотой 1658 км (двухчасовая орбита) на ночную сторону Земли. При этом они будут способны последовательно обеспечить искусственное освещение нескольких больших городов с освещенностью до 40 лк (в 400 раз выше естественной освещенности в полнолуние). Общая площадь освещения может достигать десятков квадратных километров.

Также необходимо разработать и разместить на борту «Прогресса» электромеханическое и вычислительное оборудование нового типа для управления ориентацией корабля. Возможности современной нанотехнологической электроники способны обеспечить осуществление данных задач, что позволит осуществлять ориентирование корабля с более значительным моментом инерции без дополнительного расхода топлива реактивных двигателей.

Планировалось, что эксперимент будет повторно осуществлен еще в 2008 году в рамках прикладной научной программы Международной космической станции, но на данный момент он остается нереализованным.

Практические достижения современных нанотехнологий по созданию нанометрического пленочного полотна с большими габаритами и незначительной массой способны не только внести вклад в решение проблем энергосбережения, но и открыть совершенно новые возможности космонавтики. Тонкопленочные нанотехнологии в будущем позволят построить космические аппараты специализированного назначения (энергетические системы в космосе, парусные космические корабли, антенны-ретрансляторы, антенны-излучатели для аппаратов исследования дальнего космоса, противометеорные вакуумные экраны, гироскопические энергосберегающие системы и т. д.).

В заключение следует отметить, что в России у ряда политиков бытует мнение, что раз мы являемся богатой энергетической державой, то развивать альтернативные источники энергии, особенно возобновляемые, заниматься энергосбережением нецелесообразно и даже вредно. Однако это не так – катастрофическая зависимость российской экономики от невозобновляемых природных энергоресурсов, так называемая нефтегазовая игла, не только не стимулирует развитие в нашей стране энергоемких производств, но и в целом негативно сказывается на перспективах будущего России.

Наноразмерная электроника

Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией.

Ральф Меркл (Ralph C. Merkle), профессор Технического колледжа штата Джорджия, США

Наиболее заметные практические шаги нанотехнологии сделаны в области электроники. Сегодня электроника представляет собой самую динамичную отрасль науки и техники. Она изучает физические основы (электронные и ионные процессы в газах и проводниках), а также практическое применение различных электронных приборов и устройств.

Приведем основные показатели, характеризующие мировой рынок электронной промышленности в долларовом эквиваленте:

• отрасли промышленности, связанные с электроникой, – 15 трлн;

• электронное оборудование – более 1 трлн;

• полупроводниковые компоненты – 205 млрд;

• полупроводниковое производственное оборудование – 30 млрд;

• материалы для производства полупроводников – 20 млрд.

При этом среднегодовые темпы роста рынка электронной промышленности и связанных с ней других отраслей составляют более 7 % в год.

Основными этапами развития электронных вычислительных машин явились следующие важнейшие достижения:

• разработка и создание первого компьютера на основе электронных ламп (ENIAC, 1945 год);

• изготовление первого транзистора (Bell Laboratories, 1947 год);

• выпуск первого компьютера на транзисторах (TRADIC, 1955 год);

• разработка первой интегральной схемы (Texas Instruments and Fairchild Semiconductor, 1959 год);

• изготовление первого мини-компьютера (DEC, 1965 год);

• сборка микропроцессора (Intel, 1971 год).

Рассматривая развитие интегральных схем, выделим следующие этапы:

• I этап (1959–1969 годы) – интегральные схемы малой степени интеграции (МИС), 102 транзисторов на кристалле размером 0,25x0,5 мм;

• II этап (1969–1975 годы) – интегральные схемы средней степени интеграции (СИС), 103 транзисторов на кристалле;

• III этап (1975–1980 годы) – интегральные схемы с большой степенью интеграции (БИС), 104 транзисторов на кристалле;

• IV этап (1980–1985 годы) – интегральные микросхемы со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), 105 транзисторов на кристалле;

• V этап (с 1985 года по настоящее время) – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции (УБИС), 107 и более транзисторов на кристалле.

Следует отметить, что в 1981–1982 годах создание и развитие микросхем со сверхбольшой степенью интеграции стимулировались наличием технологии литографии (электронно-лучевой, рентгеновской и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера), а также наличием производственного оборудования, и в основном определялись потребностями рынка. Наблюдался процесс их перепроизводства как в США, так и в странах Азии (Японии, Корее, Гонконге и т. п.)

Однако переход от УБИС к следующему поколению интегральных схем или какому-то новому устройству длится уже более четверти века и в настоящее время является сдерживающим фактором в дальнейшем развитии компьютерной техники.

В современных серийно выпускаемых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, однако применение ряда наноструктур открывает потенциальные возможности сокращения времени на несколько порядков.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Поэтому на поверхности можно реализовать ситуацию, при которой 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержимое библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см (вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков).