eng
Выпуск #5/2021
Б.А.Логинов
Первый в мире сканирующий зондовый микроскоп в виде спутника как старт этапа научных спутников-лабораторий
Первый в мире сканирующий зондовый микроскоп в виде спутника как старт этапа научных спутников-лабораторий
Просмотры: 1538
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.270.274
На примере разработки первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли, предлагается новый этап экспериментальных методов для различных наук – создание спутников-лабораторий, то есть вынос экспериментов из земных лабораторных установок непосредственно в космос в виде спутников Земли вместе с приборами и изучаемыми в них наборами объектов.
На примере разработки первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли, предлагается новый этап экспериментальных методов для различных наук – создание спутников-лабораторий, то есть вынос экспериментов из земных лабораторных установок непосредственно в космос в виде спутников Земли вместе с приборами и изучаемыми в них наборами объектов.
Теги: instrumental indenting microscope satellite-laboratory зондовый микроскоп инструментальное наноидентирование спутник-лаборатория
ПЕРВЫЙ В МИРЕ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП В ВИДЕ СПУТНИКА КАК СТАРТ ЭТАПА НАУЧНЫХ СПУТНИКОВ-ЛАБОРАТОРИЙ
THE WORLD’S FIRST SCANNING PROBE MICROSCOPE AS A SATELLITE A NEW STAGE OF THE SCIENTIFIC SATELLITE LABORATORIES
Б.А.Логинов*, начальник научно-исследовательской лаборатории атомной модификации и анализа поверхности полупроводников, (ORCID: 0000-0001-5081-1424), Scopus 7004632170 / b-loginov@mail.ru
B.A.Loginov*, Head of Laboratory of Atomic Modification and Analysis of Semiconductor Surface
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.270.274
Получено: 8.08.2021 г.
На примере разработки первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли, предлагается новый этап экспериментальных методов для различных наук – создание спутников-лабораторий, то есть вынос экспериментов из земных лабораторных установок непосредственно в космос в виде спутников Земли вместе с приборами и изучаемыми в них наборами объектов.
In this paper we proposed a new stage of the experimental methods for various sciences as exemplified by the world’s first scanning probe microscope (SPM) designed as a satellite, i.e., taking out experiments out of the Earth laboratories directly in space to make them satellites complete with instrumentation and a set of objects to be studied.
ВВЕДЕНИЕ
Более чем 40-летняя история развития зондовой микроскопии [1, 2] при контакте с еще более развитой космической областью на многопрофильной площадке образовательного центра "Сириус" (г. Сочи) неожиданно привела к зарождению идеи нового класса экспериментальных методов для различных наук. Первопричиной этого явилось понижение стоимости малых спутников вместе с выводом их в космос, например, почти до 30 тыс. долл. США для малых спутников серии CubeSat объемом от одного до шести литров, с перспективой снижения этой стоимости в ближайшие годы до уровня около 5 тыс. долл. США для спутников более мелкого формата. В связи с этим у автора статьи возникла и развилась идея, что многие эксперименты, например по изучению материалов для космических аппаратов, которые проводятся в земных условиях в различных вакуумных установках высоких энергий, включая, например, ускорители и Токамаки, имеет смысл вывести непосредственно в космос в виде спутников вместе с теми приборами, которые измеряют необходимые характеристики материалов, и испытывать эти материалы в реальных условиях космоса, а не в создаваемых приближенных к ним условиях на Земле. Речь идет фактически о создании спутников-лабораторий различного назначения.
Множество таких спутников-лабораторий, годами летающих в космосе, могут управляться с Земли и передавать на Землю тысячи кадров и других данных о поведении изучаемых в космосе объектов, включая и твердые материалы, планируемые для использования в перспективных космических аппаратах, и, например, микробиологические объекты. Питание приборов в спутниках легко осуществляется от аккумуляторов с подзарядкой по необходимости от солнечных батарей.
Если помечтать, то можно предположить в будущем даже возможность автоматической и быстрой, пожалуй, намного быстрее, чем это возможно на Земле, передачи изучаемых объектов и образцов из одних спутников-лабораторий с одними приборами по необходимости в другие спутники-лаборатории с другими приборами для других исследований. При этом название российской программы "Дежурный по планете" по выпуску в космос десятков университетских спутников, возможно, подходит и для идеи спутников-лабораторий, так как если мы вынесем в космос исследования, то есть вероятность, что на Земле опасных исследовательских установок нужно уже будет меньше.
Стоимость спутника-лаборатории, который может полностью амортизироваться, например, за 2–3 года естественного снижения орбиты с высоты запуска, например в 500 км, до снижения и сгорания в плотных слоях атмосферы, все равно может оказаться в десятки раз меньше стоимости экспериментов в земных лабораторных установках.
Солнечный ветер, представляющий собой поток ионов со скоростями до 200 км/с и выше, широкий спектр сильного инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света, рентген различной жесткости, космические частицы высокой энергии, а также множество микро- и нанопыли с космическими скоростями на разных орбитах, возникшей от аварий спутников, в сочетании с естественно-космическими микро- и нанометеоритами [3] широкого спектра скоростей и другими воздействиями – такие реальные условия открытого космоса трудно создать на Земле и, стало быть, трудно всесторонне испытать на Земле материалы для работы в условиях космоса.
Кроме этого, если даже и не ставится задача изучения материалов для понимания возможностей их перспективной работы в космосе, интерес могут представлять исследования материалов, объектов, каких-то процессов или чего-либо еще в том спектре воздействий, которые естественным образом предоставляет открытый космос, причем как во всем этом спектре, так и в необходимой его части при применении методов ухода от остальной части воздействий. Ввиду длительного нахождения спутника в космосе открывается также возможность продолжительных непрерывных экспериментов, что может быть интересно, например, для микробиологии.
ПРОТОТИП ПЕРВОГО В МИРЕ СЗМ В ВИДЕ СПУТНИКА
Примером реализации идеи разработки спутников-лабораторий стало создание прототипа первого в мире сканирующего зондового микроскопа в виде спутника Земли, публично анонсированное [4, 5, 6] на различных онлайн-конференциях начиная с октября 2020 года. Спутник-микроскоп был сделан из серийного микроскопа СММ-2000 в июле 2021 года на площадке образовательного центра "Сириус" [10] командой из десяти человек (рис.1, слева направо), в их числе: методист "Сириуса" по направлению нанотехнологии смены "Большие вызовы" Хрипунов Юрий (г. Орел), студент МИЭТ Оразов Илья (г. Орел), одаренные школьники Клюкина Екатерина (г. Астрахань), Лопатин Андрей (г. Бийск), Беспалова Елизавета (г. Липецк), Сапрыкин Михаил (г. Новосибирск), Ванькаев Александр (г. Астрахань), Метальников Никита (г. Орел), под руководством и при непосредственном участии автора этой статьи, а также с участием отсутствующего на фото студента физфака МГУ им. М.В.Ломоносова Логинова Артема. Всей команде автор выражает свою благодарность.
На основе нашего предыдущего опыта конструирования различных сканирующих зондовых микроскопов специальных применений [2] для спутникового микроскопа успешно решаются задачи автономного питания от аккумуляторов и солнечных батарей; температурной компенсации [7] для сохранения работоспособности микроскопа при цикличном изменении температуры от –40 до +120оС в течение почти каждого часа из-за нахождения спутника то в тени Земли при вращении вокруг нее, то на стороне Солнца; сохранения работоспособности после нагрузок величиной до 50 g, например во время отделения первой ступени ракетоносителя; длительного сохранения работоспособности в условиях радиации [8] и сильной засветки в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах [8, 9], а также быстрого поиска и анализа упавших из космоса микро- и наночастиц пыли и метеоритов [3].
ВЫВОДЫ
Работоспособность созданного спутника-микроскопа была проверена на прошедших воздействие плазмой и сильной ультрафиолетовой засветкой образцах таких интересных, в том числе для космоса, материалов (рис.1), как графен [11–13], висмут, полимеры и керамика, предоставленных различными научными центрами страны. Было получено большое количество экспериментальных материалов. По итогам начали формироваться публикации, а по конструкции спутника-микроскопа – патенты. Автор статьи надеется на жизнеспособность идеи и возникновение многих стартапов по созданию спутников-лабораторий самого различного назначения, с дальнейшим согласованием стандартов для их взаимодействий.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия – от рождения к юности. Успехи физических наук, т. 154, вып. 2, 1988, с. 261–2781.
Логинов Б.А., Логинов П.Б., Логинов В.Б., Логинов А.Б. Зондовая микроскопия: применения и рекомендации по разработке. Наноиндустрия, 2019, т. 12, № 6 (92), с. 352–365, doi: 10.22184/1993-8578.2019.12.6.352.364.
Беспалов В.А., Логинов Б.А., Новиков Л.С., Никитушкина О.Н. Исследование ударной микроструктуры на поверхности медной пластины, экспонировавшейся в открытом космосе. Физика и xимия обработки материалов, 2008, № 2, с. 28–31.
Онлайн межрегиональная конференция по проектной деятельности, Образовательный центр "Сириус", https://youtu.be/dvFB-ujobBQ (22.10.2020 г., начало доклада: 6 ч 51 мин).
Онлайн-семинар для педагогов "STEM-регион", АНО "еНано", https://www.youtube.com/watch?v=VeQuW037zZs (15.12.2020 г., начало доклада: 3 ч 44 мин).
Логинов Б.А. Некоторые новые возможности зондовой микроскопии для анализа поверхности полупроводниковых структур. Труды XXV Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника", 9–12 марта 2021 года, г. Нижний Новгород, т. 2, с. 739–740.
Логинов Б.А., Ельцов К.Н., Зайцев-Зотов С.В., Климов А.Н., Шевлюга В.М. Сканер для сверхвысоковакуумного низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, Приборы и техника эксперимента. 2007. № 3. С. 148–149.
Суворов А.Л., Логинов Б.А., Макеев О.Н. Способ и устройство контроля и исследования поверхности внутри ядерных и термоядерных установок, Патент на изобретение RU 2169954 C1, 27.06.2001. Заявка № 2000119943/06 от 27.07.2000.
Kamneva S.A., Gureev V.V., Khimchenko L.N., Kuteev B.V., Klimov N.S., Podkovyrov V.L., Zhitluhin A.M., Loginov B.A. Observation of self-organized films structure in TOKAMAK T-10 and plasma gun QSPA-facility. В сборнике: 34th EPS Conference on Plasma Physics 2007, EPS 2007 – Europhysics Conference Abstracts 2007. С. 355–358.
Электронный источник: www.miet.ru/news/137284 (06.08.2021), https://sochisirius.ru/news/4646 (19.07.2021), http://bol-vyz.tilda.ws/page20986921.html (24.07.2021), https://vk.com/wall-71991592_34784 (видео от 12.07.2021).
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Obraztsov A.N., Bozhev I.V., Bokova-Sirosh S.N., Obraztsova E.D., Loginov B.A. Few-layer graphene formation by carbon deposition on polycrystalline Ni surface. Applied Surface Science. 2019. Т. 494. С. 1030–1035.
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Obraztsov A.N., Bozhev I.V., Bokova-Sirosh S.N., Obraztsova E.D., Loginov B.A. Formation of graphene on polycrystalline nickel. Formation of Graphene on Polycrystalline Nickel. Technical Physics. 2019. Т. 64. No. 11. С. 1666–1672.
Логинов А.Б., Исмагилов Р.Р., Бокова-Сирош С.Н., Божьев И.В., Образцова Е.Д., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Формирование наноструктурированных пленок MoS2, WS2, MoO2 и гетероструктур на их основе, Журнал технической физики, 2021, т. 91, № 10, с. 1509–1516.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
THE WORLD’S FIRST SCANNING PROBE MICROSCOPE AS A SATELLITE A NEW STAGE OF THE SCIENTIFIC SATELLITE LABORATORIES
Б.А.Логинов*, начальник научно-исследовательской лаборатории атомной модификации и анализа поверхности полупроводников, (ORCID: 0000-0001-5081-1424), Scopus 7004632170 / b-loginov@mail.ru
B.A.Loginov*, Head of Laboratory of Atomic Modification and Analysis of Semiconductor Surface
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.270.274
Получено: 8.08.2021 г.
На примере разработки первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли, предлагается новый этап экспериментальных методов для различных наук – создание спутников-лабораторий, то есть вынос экспериментов из земных лабораторных установок непосредственно в космос в виде спутников Земли вместе с приборами и изучаемыми в них наборами объектов.
In this paper we proposed a new stage of the experimental methods for various sciences as exemplified by the world’s first scanning probe microscope (SPM) designed as a satellite, i.e., taking out experiments out of the Earth laboratories directly in space to make them satellites complete with instrumentation and a set of objects to be studied.
ВВЕДЕНИЕ
Более чем 40-летняя история развития зондовой микроскопии [1, 2] при контакте с еще более развитой космической областью на многопрофильной площадке образовательного центра "Сириус" (г. Сочи) неожиданно привела к зарождению идеи нового класса экспериментальных методов для различных наук. Первопричиной этого явилось понижение стоимости малых спутников вместе с выводом их в космос, например, почти до 30 тыс. долл. США для малых спутников серии CubeSat объемом от одного до шести литров, с перспективой снижения этой стоимости в ближайшие годы до уровня около 5 тыс. долл. США для спутников более мелкого формата. В связи с этим у автора статьи возникла и развилась идея, что многие эксперименты, например по изучению материалов для космических аппаратов, которые проводятся в земных условиях в различных вакуумных установках высоких энергий, включая, например, ускорители и Токамаки, имеет смысл вывести непосредственно в космос в виде спутников вместе с теми приборами, которые измеряют необходимые характеристики материалов, и испытывать эти материалы в реальных условиях космоса, а не в создаваемых приближенных к ним условиях на Земле. Речь идет фактически о создании спутников-лабораторий различного назначения.
Множество таких спутников-лабораторий, годами летающих в космосе, могут управляться с Земли и передавать на Землю тысячи кадров и других данных о поведении изучаемых в космосе объектов, включая и твердые материалы, планируемые для использования в перспективных космических аппаратах, и, например, микробиологические объекты. Питание приборов в спутниках легко осуществляется от аккумуляторов с подзарядкой по необходимости от солнечных батарей.
Если помечтать, то можно предположить в будущем даже возможность автоматической и быстрой, пожалуй, намного быстрее, чем это возможно на Земле, передачи изучаемых объектов и образцов из одних спутников-лабораторий с одними приборами по необходимости в другие спутники-лаборатории с другими приборами для других исследований. При этом название российской программы "Дежурный по планете" по выпуску в космос десятков университетских спутников, возможно, подходит и для идеи спутников-лабораторий, так как если мы вынесем в космос исследования, то есть вероятность, что на Земле опасных исследовательских установок нужно уже будет меньше.
Стоимость спутника-лаборатории, который может полностью амортизироваться, например, за 2–3 года естественного снижения орбиты с высоты запуска, например в 500 км, до снижения и сгорания в плотных слоях атмосферы, все равно может оказаться в десятки раз меньше стоимости экспериментов в земных лабораторных установках.
Солнечный ветер, представляющий собой поток ионов со скоростями до 200 км/с и выше, широкий спектр сильного инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света, рентген различной жесткости, космические частицы высокой энергии, а также множество микро- и нанопыли с космическими скоростями на разных орбитах, возникшей от аварий спутников, в сочетании с естественно-космическими микро- и нанометеоритами [3] широкого спектра скоростей и другими воздействиями – такие реальные условия открытого космоса трудно создать на Земле и, стало быть, трудно всесторонне испытать на Земле материалы для работы в условиях космоса.
Кроме этого, если даже и не ставится задача изучения материалов для понимания возможностей их перспективной работы в космосе, интерес могут представлять исследования материалов, объектов, каких-то процессов или чего-либо еще в том спектре воздействий, которые естественным образом предоставляет открытый космос, причем как во всем этом спектре, так и в необходимой его части при применении методов ухода от остальной части воздействий. Ввиду длительного нахождения спутника в космосе открывается также возможность продолжительных непрерывных экспериментов, что может быть интересно, например, для микробиологии.
ПРОТОТИП ПЕРВОГО В МИРЕ СЗМ В ВИДЕ СПУТНИКА
Примером реализации идеи разработки спутников-лабораторий стало создание прототипа первого в мире сканирующего зондового микроскопа в виде спутника Земли, публично анонсированное [4, 5, 6] на различных онлайн-конференциях начиная с октября 2020 года. Спутник-микроскоп был сделан из серийного микроскопа СММ-2000 в июле 2021 года на площадке образовательного центра "Сириус" [10] командой из десяти человек (рис.1, слева направо), в их числе: методист "Сириуса" по направлению нанотехнологии смены "Большие вызовы" Хрипунов Юрий (г. Орел), студент МИЭТ Оразов Илья (г. Орел), одаренные школьники Клюкина Екатерина (г. Астрахань), Лопатин Андрей (г. Бийск), Беспалова Елизавета (г. Липецк), Сапрыкин Михаил (г. Новосибирск), Ванькаев Александр (г. Астрахань), Метальников Никита (г. Орел), под руководством и при непосредственном участии автора этой статьи, а также с участием отсутствующего на фото студента физфака МГУ им. М.В.Ломоносова Логинова Артема. Всей команде автор выражает свою благодарность.
На основе нашего предыдущего опыта конструирования различных сканирующих зондовых микроскопов специальных применений [2] для спутникового микроскопа успешно решаются задачи автономного питания от аккумуляторов и солнечных батарей; температурной компенсации [7] для сохранения работоспособности микроскопа при цикличном изменении температуры от –40 до +120оС в течение почти каждого часа из-за нахождения спутника то в тени Земли при вращении вокруг нее, то на стороне Солнца; сохранения работоспособности после нагрузок величиной до 50 g, например во время отделения первой ступени ракетоносителя; длительного сохранения работоспособности в условиях радиации [8] и сильной засветки в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах [8, 9], а также быстрого поиска и анализа упавших из космоса микро- и наночастиц пыли и метеоритов [3].
ВЫВОДЫ
Работоспособность созданного спутника-микроскопа была проверена на прошедших воздействие плазмой и сильной ультрафиолетовой засветкой образцах таких интересных, в том числе для космоса, материалов (рис.1), как графен [11–13], висмут, полимеры и керамика, предоставленных различными научными центрами страны. Было получено большое количество экспериментальных материалов. По итогам начали формироваться публикации, а по конструкции спутника-микроскопа – патенты. Автор статьи надеется на жизнеспособность идеи и возникновение многих стартапов по созданию спутников-лабораторий самого различного назначения, с дальнейшим согласованием стандартов для их взаимодействий.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия – от рождения к юности. Успехи физических наук, т. 154, вып. 2, 1988, с. 261–2781.
Логинов Б.А., Логинов П.Б., Логинов В.Б., Логинов А.Б. Зондовая микроскопия: применения и рекомендации по разработке. Наноиндустрия, 2019, т. 12, № 6 (92), с. 352–365, doi: 10.22184/1993-8578.2019.12.6.352.364.
Беспалов В.А., Логинов Б.А., Новиков Л.С., Никитушкина О.Н. Исследование ударной микроструктуры на поверхности медной пластины, экспонировавшейся в открытом космосе. Физика и xимия обработки материалов, 2008, № 2, с. 28–31.
Онлайн межрегиональная конференция по проектной деятельности, Образовательный центр "Сириус", https://youtu.be/dvFB-ujobBQ (22.10.2020 г., начало доклада: 6 ч 51 мин).
Онлайн-семинар для педагогов "STEM-регион", АНО "еНано", https://www.youtube.com/watch?v=VeQuW037zZs (15.12.2020 г., начало доклада: 3 ч 44 мин).
Логинов Б.А. Некоторые новые возможности зондовой микроскопии для анализа поверхности полупроводниковых структур. Труды XXV Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника", 9–12 марта 2021 года, г. Нижний Новгород, т. 2, с. 739–740.
Логинов Б.А., Ельцов К.Н., Зайцев-Зотов С.В., Климов А.Н., Шевлюга В.М. Сканер для сверхвысоковакуумного низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, Приборы и техника эксперимента. 2007. № 3. С. 148–149.
Суворов А.Л., Логинов Б.А., Макеев О.Н. Способ и устройство контроля и исследования поверхности внутри ядерных и термоядерных установок, Патент на изобретение RU 2169954 C1, 27.06.2001. Заявка № 2000119943/06 от 27.07.2000.
Kamneva S.A., Gureev V.V., Khimchenko L.N., Kuteev B.V., Klimov N.S., Podkovyrov V.L., Zhitluhin A.M., Loginov B.A. Observation of self-organized films structure in TOKAMAK T-10 and plasma gun QSPA-facility. В сборнике: 34th EPS Conference on Plasma Physics 2007, EPS 2007 – Europhysics Conference Abstracts 2007. С. 355–358.
Электронный источник: www.miet.ru/news/137284 (06.08.2021), https://sochisirius.ru/news/4646 (19.07.2021), http://bol-vyz.tilda.ws/page20986921.html (24.07.2021), https://vk.com/wall-71991592_34784 (видео от 12.07.2021).
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Obraztsov A.N., Bozhev I.V., Bokova-Sirosh S.N., Obraztsova E.D., Loginov B.A. Few-layer graphene formation by carbon deposition on polycrystalline Ni surface. Applied Surface Science. 2019. Т. 494. С. 1030–1035.
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Obraztsov A.N., Bozhev I.V., Bokova-Sirosh S.N., Obraztsova E.D., Loginov B.A. Formation of graphene on polycrystalline nickel. Formation of Graphene on Polycrystalline Nickel. Technical Physics. 2019. Т. 64. No. 11. С. 1666–1672.
Логинов А.Б., Исмагилов Р.Р., Бокова-Сирош С.Н., Божьев И.В., Образцова Е.Д., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Формирование наноструктурированных пленок MoS2, WS2, MoO2 и гетероструктур на их основе, Журнал технической физики, 2021, т. 91, № 10, с. 1509–1516.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
