Спутник Титан — объяснение для детей

Необычные свойства титана

Разработаны материалы, которые будучи сильно деформированными на холоде, при нагревании вновь принимают первоначальную форму. Один из таких «памятливых» материалов представляет собой интерметаллическое соединение титана и никеля, отличающееся высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Проволоке из этого материала можно придать форму радиоантенны и сжать ее в небольшой шар. После нагревания этот шар снова превратится в антенну.

ТАТАН, РАКЕТЫ И ГАЗЫ. Титан используется для производства баллонов, в которых газы могут храниться длительное время под большим давлением. В американских ракетах типа «Атлас» сферические резервуары для хранения сжатого гелия сделаны из титана. Из титановых сплавов изготовляют баки для жидкого кислорода, применяемые в ракетных двигателях.

СВЕРХПЛАСТИЧНЫЙ ТИТАН. При температуре около 950°С металлический титан переходит в сверхпластичное состояние: если на него в это время воздействовать даже небольшим давлением, он претерпевает пластическую деформацию и точно воспроизводит очертания формы, в которую его выдавливают. Но — при двух условиях. Во-первых, форма должна иметь ту же температуру, что и металл, а во-вторых, процесс должен идти в защитной, предпочтительно аргоновой, среде. Изделия, изготовленные по этой технологии, предложенной швейцарскими инженерами, отличаются высоким качеством и не требуют доводки на металлорежущих станках. Однако необходимо строго контролировать и давление, и температуру, и состояние защитной среды.

Колонизация Титана: теории, факты и мнения экспертов

Самая большая луна Сатурна может удовлетворить потребности человеческой колонии в электроэнергии. Как показало новое исследование, при всех своих странностях Титан во многом похож на Землю. Толстая атмосфера защищает его поверхность от разрушительного воздействия солнечного излучения. Помимо Земли, это единственное тело в нашей системе, на поверхности которого может существовать жидкость. Но если люди однажды поселятся на каменистых дюнах под желтой дымкой лунного неба, то в уютной базе где-нибудь на берегу углеводородного озера им обязательно понадобится энергия.

Ядерная энергия

Чтобы выяснить, как люди в будущем смогут выживать на далекой луне, Аманда Хендрикс из Института планетарных наук и Юк Юнг из Калифорнийского технологического института проанализировали потенциальные источники энергии. Любые роботы-исследователи, которые отправятся на Титан в качестве разведчиков, в первую очередь будут опираться на энергию радиоактивного распада, в процессе которого вырабатывается электричество и тепло. Люди могли бы сделать то же самое и привести с Земли материалы, необходимые для создания компактного ядерного реактора, чтобы потом добывать необходимые элементы уже из Титана. Однако, пока внутренняя геология луны еще не исследована, подобные предположения остаются просто гипотезами.

Намного важнее то, что уже сейчас астрономы знают о ресурсе, которого на Титане в избытке — речь идет о метане. Потенциально это делает луну отличным перевалочным пунктом, на котором ракеты, летящие с Земли, могут совершить посадку и заправиться для более дальних перелетов в глубины космоса. По мнению Ральфа Лоренца, планетарного ученого из Университета Джона Хопкинса в Мэриленде, Титан станет ключевой точкой для дальних космических экспедиций. На самой луне сжигать углеводород неэффективно, поскольку там отсутствует легкодоступный кислород, но колонисты могли бы получать энергию простым добавлением водорода в ацетилен. Однако, несмотря на теоретическое изобилие ацетилена на Титане, этот факт ученым тоже еще предстоит проверить.

Энергия жидкости

Гидроэнергетика также может стать проблемой. На Титане, по оценкам астрономов, выпадает довольно скромное количество осадков, и лишь раз в несколько десятилетий случаются интенсивные ливни. Сара Хёрст, планетарный ученый из Университета Джона Хопкинса, полагает, что для ГЭС такие условия не подойдут: в течение короткого промежутка времени реки становятся бурными и полноводными, а потом практически полностью пересыхают. Конечно, плотины и даже водяные колеса могут генерировать энергию из углеводородной жидкости, но все озера и моря на луне ниже, чем окружающий ландшафт — это затрудняет позиционирование. Топография не делает подобные проекты невозможными, но существенно повышает затраты на их осуществление.

Наука

Парад планет 2020: что, где, когда, как и почему?

Наилучшим вариантом может стать установка морских турбин, потому что Сатурн создает на Титане сильные приливы. Крупнейшее углеводородное море луны, Море Кракена, каждый день поднимается и опускается на целый метр. Приливные волны проходят через Горло Кракена — узкий пролив, разделяющий северную и южную части моря. По словам Лоренца, Горло — это своего рода Гибралтарский пролив, и если где и ставить ГЭС, то именно там.

Энергия ветра

Ветряные станции на Титане тоже не послужат в качестве долгосрочного источника энергии. Песчаные дюны наглядно демонстрируют, что в недавнем прошлом луны на ней и в самом деле дули сильные ветры, однако нет никаких доказательств, что этот процесс продолжается до сих пор. Однако атмосферная циркуляция меняет свое направление дважды в год, и в 2005 году зонду Гюйгенса удалось обнаружить сильный ветер в верхних слоях атмосферы. Хендрикс полагает, что ветряки на Титане придется буквально привязывать к поверхности и поднимать вверх, но это уже выходит за рамки существующих технологий.

Энергия Солнца

Самой необычной идеей является добыча энергии от Солнца. Титан отстоит от звезды почти в 10 раз больше, чем Земля, и получает всего лишь одну сотую долю солнечного света, в сравнении с нашей планетой. Помимо этого, атмосферная дымка отфильтровывает часть света, а потому самый яркий и солнечный день на Титане напоминает сумерки на Земле. Но и солнечные панели становятся все более эффективными, а потому у будущей колонии на луне есть все шансы для создания обширной и, что важно, стабильной энергетической инфраструктуры.

По мнению Хендрикс и Юнга, для удовлетворения энергетических потребностей 300 миллионов человек (примерное население США), потребуются солнечные фермы, покрывающие 10% общей площади Титана, что сравнимо с площадью Соединенных Штатов. На Земле инфраструктура, генерирующая такое же количества энергии, займет на порядок меньшую площадь. Как и на Земле, существует проблема очистки всех этих солнечных панелей: атмосферные толины придется удалять довольно часто.

Подводя итог

У Титана есть все необходимые энергетические ресурсы для поддержания жизнедеятельности человеческой цивилизации, но жить там будет непросто. Атмосферное давление в полтора раза выше земного, а гравитация составляет всего лишь 1/7 от привычной нам — люди на поверхности луны будут чувствовать себя скорее дайверами в океане, а не космонавтами на скалистых лунных просторах. Атмосфера из азота, метана и водорода позволяет дышать только искусственным кислородом, а низкие температуры станут дополнительным препятствием для комфортного существования. Стоит отметить, впрочем, что освоение Титана не является фантастикой, но требует гораздо более совершенных технологий, чем те, которыми мы располагаем на данный момент.

Химические свойства

Титан — химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степень окисления +4, реже +3, +2. До 500-550°С титан коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной плёнки оксидов. С кислородом взаимодействует при температурах выше 600°С с образованием TiO2. Устойчив к действию разбавленных неорганических кислот, щелочей, галогенов (в присутствии паров H2О). Титан обладает способностью поглощать водород, азот и другие газы, образуя соответственно гидриды, нитриды и т.д. При взаимодействии с бором, углеродом, селеном, кремнием титан образует металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твёрдостью.

Среднее содержание титана в земной коре (кларк) 0,45%, в ультраосновных породах 3•10-2%, основных 0,9%, кислых 0,23%. Наиболее обогащены титаном пегматиты гранитов и щелочных пород. Известно 67 минералов титана, важнейшие из которых — рутил, перовскит, ильменит, титанит, титаномагнетит. Титан является петрогенным элементом и, относясь к литофильным (по классификации Гольдшмидта), наибольшее геохимическое сходство имеет с марганцем.

История открытия Титана

Интересно: Луна: описание, строение, характеристика, интересные факты, фото и видео

Таким образом, Титан – это интереснейший небесный объект, который может оказаться в перспективе весьма интересным для человечества, в особенности, если не удастся обойти топливный кризис и преодолеть потребность в углеводородах. Крупные размеры объекта обеспечили возможность его открытия еще во времена Средневековья, однако данный спутник активно исследуется посей день.

Строение диоксида титана

Диоксид титана существует в виде нескольких кристаллических модификаций. В природе можно встретить анатаз, рутил и брукит. Следует отметить, что брукит промышленно почти не производится и в природе встречается редко. Анатазная форма также существенно уступает по производству рутильной, так как хуже рассеивает свет и менее атмосферостойка.

Характеристики кристаллической решётки

При нагревании и анатаз, и брукит необратимо превращаются в рутил (температуры перехода соответственно 400-1000° C и около 750° C). Основой структур этих модификаций являются октаэдры TiO6, то есть каждый ион Ti4+ окружён шестью ионами O2-, а каждый ион O2- окружён тремя ионами Ti4+. Октаэдры расположены таким образом, что каждый ион кислорода принадлежит трём октаэдрам. В анатазе на один октаэдр приходятся 4 общих ребра, в рутиле — 2.

TiO2 — встречается в природе трех основных кристаллических формах:

1. антаз
2. рутил
3. брукит

Брукит в природе встречаются редко и коммерческого интереса не представляет. Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (лучше укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил.

Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу (разрушению материала под воздействием солнечного света) и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.).

Таким образом, именно рутильная форма диоксида титана является единственным и безальтернативным белым пигментом в стандартных областях промышленности (краски, пластмассы, бумага) для придания белизны, укрывистости (кол-во пигмента в граммах, чтобы укрыть 1 кв. м. контрастной поверхности) и стабильности системе пигмент + носитель. Единственное обоснованное применение анатазного титана — это краски для дорожной разметки. В данном типе карски проявляются некоторые специфические свойства данной формы.

Пигменты диоксида титана рутильной и анатазной формы

TiO2 — полиморфен и встречается в трех основных кристаллических формах. Существуют три формы, анатаз (октаэдрит), рутил и брукит, последний в природе встречаются редко и, хотя эту форму и готовят в лабораториях, коммерческого интереса она не представляет. Рутильный диоксид примерно на 30% лучше рассеивает свет (укрывистость), чем анатазный, поэтому последний используется гораздо реже. К тому же, анатаз менее атмосферостоек, чем рутил. Анатаз гораздо хуже работает в защите полимера (акрилата, пластмассы) от УФ лучей и приводит к фотокатализу и потере свойств полимера (происходит деструкция, выцветание, меление и т.д.). Пигменты диоксида титана производятся по двум технологическим схемам: сульфатный и хлорный способы. Обе, анатазная и рутильная формы диоксида титана, могут быть произведены любым из способов.

Технические характеристики Сульфатный способ был внедрен в промышленность в 1931 г., для производства анатазной формы диоксида титана, а позже, в 1941 г. — рутильной. В этом способе руда, содержащая титан (ильменит и др.), растворяется в серной кислоте, образуя растворы сульфатов титана, железа и других металлов. Затем, в ряде химических реакций, включающих в себя химическое восстановление, очистку, осаждение, промывание и кальцинацию, образовывая базовый диоксид титана с необходимым размером частиц. Строение кристаллов (анатазная или рутильная форма) контролируется в процессе ядрообразования и кальцинации. Хлорный способ был изобретен в 1950 г. для производства рутильной формы диоксида титана. Титансодержащая руда вступает в реакцию с хлорным газом при пониженном давлении, в результате чего образуется тетрахлорид титана TiCl4 и примеси хлоридов других металлов, которые впоследствии удаляются. TiCl4 высокой степени чистоты затем окисляют при высокой температуре, в результате чего образуется диоксид титана.

Диоксид титана как оболочковый пигмент

Результат помола TiO2 + наполнитель:

Оболочковый пигмент — композиционный материал, состоящий из частиц оптически нейтрального наполнителя покрытых слоем пигмента. Пигментный слой часто покрывается защитной пленкой для улучшения физических и химических характеристик. Может быть получен при помощи обработки в механоактиваторах частиц наполнителя совместно с пигментом-цветоносителем, химическими модификаторами и поверхностно-активными веществами. Состав белого оболочкового пигмента:

• наполнители: минералы природного или искусственного происхождения, например — волластонит, кальцит
• пигмент: оксид титана
• защитный слой: оксиды кремния, алюминия, циркония, церия и др.
• Применение: Пигменты используются в лакокрасочной, строительной, полимерной, резинотехнической и других отраслях промышленности.