НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Использование наноустройств в космических исследованиях

Н. Б. Тумарьян[41]

За последние тридцать лет организация ПАСА завершила начальный, разведы­вательный этап изучения ближайших объектов Солнечной системы. Дальней­шие работы будут связаны либо с полетами к более удаленным целям (в частно­сти к Солнцу или Плутону), либо с аппаратами, способными решать значитель­но более сложные задачи, такие, как высадка на поверхность небесных тел, от­бор образцов и их доставка на Землю. Для осуществления этих крупномасштаб­ных и дорогостоящих исследований НАСА разработала обширный проект под названием «Программа развития технологий для исследований в глубоком кос­мосе» и обозначением Х2000, в рамках которого, начиная с 2000 г., каждые два - три года в космос должны выводиться ракеты с усовершенствованным бортовым оборудованием, предназначенным для изучения Солнечной системы и даже ее окрестностей. Особое внимание уделяется уменьшению размеров космических аппаратов; для этого постоянно снижаются размеры и вес систем авионики (авиационной электроники, бортового оборудования летательных аппаратов).

Объем 1 ООО см3 ; Объем 10 см3 Масса 1кг ІМасса ЮГ Мощность 30Вт (Мощность 5Вт

3-е поколение

Текущие J параметры

Рис. 6.13. Прогноз развития авионики.

В решении этой задачи важную роль должно сыграть интегрирование микро - и нанотехнологий. На рис. 6.13 представлены прогнозы изменения основных па­раметров (вес, объем, потребляемая мощность) бортовых электронных уст­ройств. Современному состоянию электронной техники соответствуют данные левой колонки, относящиеся к космическому кораблю «Марс Пасфайндер».

Первое поколение аппаратуры по проекту Х2000 соответствует интеграль­ным системам авионики, в которых объединены функции управления и обра­ботки данных, контроля за положением космического аппарата и его энергети­ческими установками, согласования режимов работы научных приборов и т. д. Дальнейшая миниатюризация оборудования и развитие техники автоматиче­
ского управления должны привести к более высокой степени интеграции и со­зданию модульной, элементной архитектуры, предназначенной для эксплуата­ции в условиях длительных комических экспедиций. Новые системы авиони - ки будут иметь значительно меньшее энергопотребление по сравнению с со­временными системами.

Прототипом будущих однокристальных и многокристальных интегральных схем станет разрабатываемая по проекту Х2000 интегральная схема авионики, получившая название «Система на чипе» (System On A Chip, SOAC). Эта интег­ральная схема будет содержать систему управления энергетическими установ­ками, систему датчиков, телекоммуникационные модули, центральный про­цессор и запоминающие устройства. Нанотехнология призвана обеспечить как миниатюризацию таких устройств, так и их интеграцию.

Примерно к 2020 г. ожидается реализация программы новых компьютер­ных технологий, которая позволит не только преодолеть пределы полупро­водниковой технологии, но и создать полностью автономные, высокоэф­фективные и низкоэнергетические «мыслящие космические аппараты». Безусловно, для этого потребуется применение нанотехнологий, поскольку обычная, цифровая вычислительная техника (даже с учетом ее успехов за последние годы и возможного создания в будущем суперкомпьютеров) не сможет соревноваться с биологическими системами в задачах распознава­ния образов, чувственного восприятия, управления в сложных условиях или адаптации к окружающей среде. В разделе «5-е поколение» (рис. 6.13) представлены две нанотехнологии, которые будут определять возможности космических аппаратов 2020 г.:

• Квантовый компьютер. Такое устройство должно быть создано на основе объединения принципов традиционной вычислительной техники и кван­товой физики. Хотя концепция квантового компьютера проста, этого нельзя сказать о ее реализации. Разработка квантового компьютера моти­вируется двумя проблемами:

— Использование квантовых представлений, возможно, позволит решить математические задачи, недоступные обычным вычислительным ме­тодам.

— С точки зрения миниатюризации вычислительных устройств важен раз­мер устройства, приходящийся на 1 бит информации. В последние годы в связи с развитием нанотехнологии и проблемами конструирования полупроводниковых микромеханических устройств ставится вопрос о доведении миниатюризации до квантового предела. Поэтому идея кван­тового компьютера, в котором носителями информации являются от­дельные атомы, привлекает внимание ученых многих областей.

• Биомиметические устройства. Биомиметикой называется научное направ­ление, связанное с имитацией биологических процессов. Это направление основано на исследованиях архитектуры, функций, механизмов и принци­пов действия биосистем. Ниже приводятся примеры биомиметических объ­ектов, представляющих интерес для нанотехнологии:

— 1 г ДНК может содержать столько же информации, сколько библиотека Конгресса США.

— Мозг человека содержит около 1014 внутренних связей и может осущест­влять до 1016 операций в секунду, причем его работа отличается высокой точностью и очень низким энергопотреблением.

— Человеческий организм обладает высокоэффективной иммунной систе­мой, которую можно назвать «системой саморемонта».

В дальнейшем, когда исследования этих явлений позволят создавать не­большие и легкие устройства с низким энергопотреблением, НАСА сможет со­здавать и запускать космические зонды для решения задач, недоступных в на­стоящее время.