Выращивание кристаллов в космосе. Звук поможет выращивать в космосе идеальные кристаллы

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 6, с. 863-890

УДК 54855 Посвящается Международному году кристаллографии

КОСМИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ: РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

© 2014 г. В. И. Стрелов, И. П. Куранова, Б. Г. Захаров, А. Э. Волошин

Институт кристаллографии РАН, Москва Email: [email protected] Поступила в редакцию 09.07.2014 г.

Проведен обзор исследований по кристаллизации в космосе. Основное внимание уделено росту кристаллов полупроводников и белков. Рассматривается история вопроса, анализируется влияние микрогравитации на рост кристаллов, приводится анализ основных экспериментов по росту кристаллов в невесомости. Дается подробный обзор работ ИК РАН в этой области.

DOI: 10.7868/S0023476114060289

Введение

1. Основные результаты космических экспериментов по выращиванию кристаллов полупроводников

2. Реальная микрогравитационная обстановка на борту космических аппаратов

3. Методы роста кристаллов полупроводников в условиях микрогравитации

3.2. Бестигельная зонная плавка

4. Специфика поведения расплавов в условиях микрогравитации, определяющая основные принципы постановки космических экспериментов

5. Кристаллизация белков в условиях невесомости. Особенности белковых кристаллов

6. Основные методы выращивания белковых кристаллов

7. Факторы, влияющие на качество белковых кристаллов

8. Параметры сравнения наземных и "космических" кристаллов

9. Источники повышения качества кристаллов в невесомости

10. Исследования в ИК РАН в 2004-20014 годах

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс космической техники во 2-й половине XX в. в области создания беспилотных и пилотируемых космических аппаратов (КА) привел к формированию и развитию нового научно-технического направления, связанного с исследованиями в условиях микрогравитации (МГ), - космического материаловедения, которое ставит своей целью использование космического про-

странства (МГ, высокий вакуум, солнечная радиация и т.п.), а при росте кристаллов, в первую очередь, - состояние МГ, для получения материалов со свойствами, недостижимыми в земных условиях.

В настоящее время реализуются различные направления материаловедения и технологий, перспективные для условий МГ. Это касается получения монокристаллов для широкой области приборов микроэлектроники, материалов для оптоволоконной техники, сверхпроводящих материалов, биокристаллов и др.

На первом этапе исследований использование МГ для получения кристаллов со свойствами, недостижимыми в земных условиях, основывалось на том, что:

При МГ практически исчезает термогравитационная конвекция, которая в земных условиях в основном определяет примесную микронеоднородность выращиваемых кристаллов; - при получении из расплава многокомпонентных кристаллов невесомость может обеспечить более высокую однородность распределения компонентов по объему кристаллов;

При МГ процесс кристаллизации в силу специфики физико-химических свойств полупроводниковых расплавов может происходить при отсутствии контакта расплава со стенками контейнера, что приводит к снижению негативного воздействия контейнера на рост, структуру и чистоту получаемых кристаллов;

При выращивании кристаллов белков в невесомости массообмен в растворе осуществляется преимущественно за счет диффузии, что приводит к возникновению вокруг кристалла зоны, обедненной примесями (эффект «самоочистки»), и, как следствие, росту более совершенных кристаллов.

Именно такими соображениями руководствовались российские и зарубежные исследователи,

приступая к практическим экспериментам на борту КА. Но все оказалось гораздо сложнее. На первоначальном этапе исследований на КА еще отсутствовала система регистрации уровня реальной МГ, не были развиты методы математического моделирования процессов тепломассоперено-са (ТМП) в расплавах, поэтому эксперименты проводились на сугубо эмпирической основе: опробовать в космосе по отработанным на земле технологиям различные методы выращивания кристаллов, получить широкий спектр кристаллических материалов и установить, какие из них будут существенно лучше получаемых в земных условиях, чтобы в дальнейшем, используя космические результаты, организовать их опытное или серийное производство. Воздействие длительной МГ на вещества и материалы в жидком и газообразном состоянии, а также при кристаллизации, как выяснилось в результате выполненных исследований, является сложным и неоднозначным: МГ может приводить к лучшим результатам по сравнению с земными условиями, давать такой же результат, что и в земных условиях, но может приводить и к худшим результатам .

Из анализа результатов космических экспериментов (КЭ) следует, что проведенные к настоящему времени в России и за рубежом многочисленные эксперименты по выращиванию монокристаллов в условиях МГ демонстрируют принципиальную возможность получения в космосе кристаллов с высокими по однородности характеристиками. Однако по совокупности требуемых параметров и по воспроизводимости результатов на данном этапе космические кристаллы (КК) уступают образцам, выращиваемым по передовым земным технологиям.

1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ВЫРАЩИВАНИЮ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

С 1976 по 2000 г. были начаты и систематически проводились космические исследования по получению разнообразных материалов, к настоящему времени проведено более 800 КЭ, в том числе около 150 - на высотных и суборбитальных ракетах, около 150 - на автоматических аппаратах типа "Фотон" и более 500 - на орбитальных станциях "Салют", пилотируемых космических комплексах "Союз-Аполлон", "Мир".

В процессе КЭ были опробованы на борту КА различные методы выращивания: направленная кристаллизация, зонная плавка, химическое и физическое осаждение из газовой фазы, жидкостная эпитаксия.

Выращивались объемные из расплава кристаллы Ge, GaSb, InSb, InP, CdTe, CdHgTe, CdSeTe, CdZnTe, MnHgTe, а также монокристаллические

пленки из газовой фазы Ge, CdS:CdSe, 81 и др. , которые предполагалось использовать в микро- и оптоэлектронике, СВЧ-технике, при создании лазеров, детекторов излучения и СИ нового поколения.

Основные организации постановщики первых КЭ по росту кристаллов полупроводников в России: НИИ "Научный центр" (Зеленоград); ОАО "Гиредмет" ГНЦ РФ; Институт металлургии и материаловедения РАН; Институт физики твердого тела РАН (Черноголовка); "Конструкторское бюро общего машиностроения имени В.П. Бармина" (ФГУП "КБОМ", Москва); Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение" ИК РАН (Калуга).

Среди многообразия материалов, используемых для изучения особенностей процессов кристаллизации в космосе, особое место занимают полупроводники. Объясняется это тем, что они обладают рядом принципиальных преимуществ, важнейшее из которых - исключительно высокая чувствительность электрофизических свойств кристаллов к наличию и характеру распределения в них примесей и структурных дефектов. Кроме того, очень существенно то, что уже имеются отработанные, высокочувствительные, с большой пространственной разрешающей способностью методы контроля этих параметров .

2. РЕАЛЬНАЯ МИКРОГРАВИТАЦИОННАЯ

ОБСТАНОВКА НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

На первом этапе исследований (1970-1985 гг.) на КА отсутствовала система регистрации МГ, считалось, что на борту КА реализуются условия полной невесомости, т.е. ускорение силы тяжести равно нулю. Однако результаты экспериментов по росту кристаллов оказались неожиданными, космические образцы по совокупности параметров уступали земным аналогам, одними из основных причин этого оказались остаточная МГ и конвекция Марангони (конвекция, возникающая при наличии свободной поверхности расплава) .

В дальнейшем вследствие гаридента поверхностного натяжения было установлено, что в реальных условиях низкоорбитального космического полета (~400-500 км) из-за действия сил аэродинамического торможения аппаратов, собственного внутреннего тяготения между их составными частями (как правило, оборудование находится вне центра масс), вибраций КА и т.п. состояния полной невесомости достичь не удается, и на борту действуют остаточные микроускорения с широким диапазоном частот и амплитуд на уровне 10-1-10-6 g0 (§о - земная гравитация) .

В настоящее время остаточные микроускорения на борту искусственных КА Земли обычно разбивают на две составляющие: квазистатическую и вибрационную (таблица).

Квазистатическая компонента микроускорений лежит в области частот до ~0.01 Гц и обусловлена характером орбитального полета КА. Ее величина и направление зависят от высоты орбиты и ориентации осей КА относительно Земли. Большинство экспериментов выполнялось на КА с почти круговой орбитой высотой 400-500 км над Землей. Для таких КА в свободном полете остаточные микроускорения в центре масс КА порядка 10-5-10-6 g0 и увеличиваются с удалением от него. В управляемом полете они могут достигать вне центра масс ~10-3 g0 и больше.

Вибрационная составляющая микроускорений обусловлена упругими колебаниями конструкции КА, системами ориентации КА, возбуждаемыми работой бортовых устройств жизнеобеспечения и деятельностью экипажа. Для КА массой несколько тонн и выше она имеет частоты в области выше сотых долей герца 0.01-300 Гц, а ее амплитуды могут достигать значений 10-1 g0.

3. МЕТОДЫ РОСТА КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ

При проведении экспериментов на борту КА исследователи ориентировались на кристаллизационные процессы, которые, с одной стороны, широко применяются в земных технологиях, а с другой - наиболее полно используют преимущества МГ. К их числу относятся бестигельная зонная плавка (БЗП) и метод направленной кристаллизации. Большинство опытов с использованием этих методов проведены на установках типа "Зона" и "Полизон", специально изготовленных в КБОМ.

Одними из первых были проведены эксперименты по направленной кристаллизации на борту КА "Аро11о"-"Союз" (1975 г.) .

В первой серии экспериментов выращивались из расплавов монокристаллы Ge, легированные ~1 ат. % 81 и ~0.001 ат. % 8Ъ, во вто

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате

ЗАХАРОВ Б.Г., ОСИПЬЯН Ю.А., СТРЕЛОВ В.И. - 2009 г.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИМЕСНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В КРИСТАЛЛАХ GASB:TE ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В КОСМИЧЕСКИХ И НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

ВЛАСОВ В.Н., КОРОБЕЙНИКОВА Е.Н., ПРОХОРОВ И.А., СЕРЕБРЯКОВ Ю.А., СИДОРОВ В.С., ШУЛЬПИНА И.Л. - 2012 г.

Японские ученые сумели преодолеть барьер, связанный с особой технологией выращивания гелиевых кристаллов. Результаты исследований опубликовал журнал Немецкого общества физиков. Опыты, проходившие в условиях нулевой гравитации, смогут помочь ученым понять фундаментальные законы создания гелиевых кристаллов и рассмотреть некоторые новые явления, которые при действии гравитации могут быть скрыты от взора.

Первоначально для выращивания кристаллов гелия применялась особая среда со сверхнизкой температурой (порядка -279 град.) и сверхвысоким давлением. Постепенно кристаллы «обрызгивались» таким же гелием, но элемент находился в сверхтекучем состоянии. Отметим, что сверхтекучестью называется особое свойство, при котором вещество обладает всеми признаками жидкости, но при этом имеет нулевую вязкость. Для сверхтекучих жидкостей присуще одно полезное свойство – такие материалы способны проходить через мелкие зазоры между другими объектами без какого-либо трения.

В обычных условиях для формирования кристаллов могут понадобиться тысячи лет. Однако в наши дни в средах со сверхнизкими температурами гелиевые кристаллы можно вырастить всего за 1 секунду. Однако в этом случае существует одна проблема – при действии гравитации кристаллы значительно деформируются. По словам профессора Рюдзи Номура, одного из авторов эксперимента, с помощью сверхтекучего вещества можно довольно быстро получить полноценные кристаллы – для этого достаточно обеспечить условия невесомости.

В своих исследованиях японские физики отказались от идеи применения дорогостоящих космических аппаратов: вместо этого был задействован сверхзвуковой самолет. Известно, что при особых параболических траекториях полета даже на борту реактивного самолета можно создать условия нулевой гравитации, которая продлится около 20 секунд.

Для реализации эксперимента на борту самолета был расположен лабораторный холодильник, в нижней камере которого под высоким давлением размещались большие гелиевые кристаллы. Далее кристаллы подвергались дроблению с помощью акустической волны, после чего более мелкие кристаллы «обрызгивались» сверхтекучим гелием. В результате крупные кристаллы гелия росли до размера примерно 10 мм, а мелкие кристаллы плавились. Весь цикл экспериментов занял около 20 часов.

Рост кристаллов происходил из-за имевшего место так называемого явления Оствальдовского созревания. Подобное явление можно наблюдать при производстве мороженого, которое постепенно становится твердым и хрустящим из-за роста более крупных кристаллов за счет повреждения мелких. Сам процесс Оствальдовского созревания довольно медленный, и ранее такой быстрый рост крупных кристаллов не наблюдался.

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни многие достижения космонавтики находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Использование искусственных спутников Земли для нужд связи, телевидения, метеорологии, картографии, навигации, для изучения природных ресурсов, в интересах геологии, сельского, лесного, рыбного хозяйства прочно вошло в повседневную деятельность человечества. Однако непрерывное совершенствование космических средств открывает все новые и новые возможности их применения в народном хозяйстве и науке. Одним из перспективных направлений космонавтики является производство в «осмосе новых материалов. Практическое решение этой важной научно-технической проблемы стало возможным в последние годы благодаря достигнутым успехам в создании долговременных пилотируемых орбитальных станций и транспортных кораблей, предназначенных для доставки на эти станции и возвращения на Землю космонавтов вместе с необходимыми расходуемыми материалами (фотопленка, топливо, запасы продовольствия и т. п.).

Исследования в области производства материалов в космосе обусловлены стремлением использовать в технологических процессах необычные условия, создающиеся при движении космических аппаратов по околоземным орбитам: прежде всего - длительное состояние невесомости, а также окружающий глубокий вакуум, высокие и низкие температуры и космическую радиацию.

В условиях невесомости ряд известных физических процессов протекает иначе, чем в привычных для нас земных условиях (при воздействии силы тяжести). Так, в невесомости отсутствует сила Архимеда, вызывающая в обычных земных условиях расслоение жидких веществ с разной плотностью, ослаблена естественная конвекция, приводящая в земных условиях к перемешиванию слоев жидкостей и газов, имеющих разные температуры. Это открывает принципиальные возможности как для получения в невесомости качественно новых материалов, так и для улучшения свойств существующих материалов.

В невесомости возможно бесконтейнерное удержание в пространстве жидкого металла, благодаря чему удается избежать его загрязнения за счет попадания примесей со стенок контейнера и получить в результате сверхчистые вещества. В невесомости поведение жидкостей определяется силами поверхностного натяжения, и это необходимо учитывать даже при выполнении таких обычных технологических процессов, как сварка, пайка, плавление и т. д.

В СССР первые технологические эксперименты были выполнены в 1969 г. На борту пилотируемого космического корабля «Союз-6» в условиях длительной невесомости летчик-космонавт СССР В. Н. Кубасов с помощью установки «Вулкан», изготовленной в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, отрабатывал различные способы сварки металлов. Была подтверждена практическая возможность выполнения различных сварочных работ в условиях космического пространства. Технологические эксперименты были проведены в 1975 г. во время полета орбитальной станции «Салют-4», а также при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». Некоторые технологические эксперименты выполнялись на вертикально стартующих высотных ракетах при их пассивном (с отключенными двигателями) полете в верхних слоях атмосферы (в этом случае состояние невесомости обеспечивается в течение небольшого времени - около десяти минут).

Новый шаг в направлении создания научных основ космического производства был сделан во время полета орбитальной научной станции «Салют-5», когда летчиками-космонавтами СССР Б. В. Вольтовым, В. М. Жолобовым, В. В. Горбато и Ю. Н. Глазковым был осуществлен цикл технологических экспериментов с помощью комплекта приборов «Кристалл», «Поток», «Сфера», «Диффузия» и «Реакция».

Исследования по космической технологии проводятся также в США и других странах. Различные технологические эксперименты осуществлялись на кораблях «Аполлон-14, -16, -17», на орбитальной станции «Скайлэб», при запусках высотных ракет «Блэк Брант».

В предлагаемой брошюре дается общая характеристика современного состояния исследований в области космической технологии и космического производства. Рассказывается о перспективных направлениях космического производства, таких, как получение металлов, полупроводниковых материалов, оптического стекла, керамики, медико-биологических препаратов и т. п.

Физические условия на борту космических аппаратов

При полете космических аппаратов по околоземным орбитам на их борту возникают условия, с которыми на Земле человек обычно не сталкивается. Первое из них - длительная невесомость.

Как известно, вес тела - это сила, с которой оно действует на опору. Если и тело, и опора свободно движутся под действием силы тяготения с одинаковым ускорением, т. е. свободно падают, то вес тела исчезает. Это свойство свободно падающих тел установил еще Галилей. Он писал: «Мы ощущаем груз на своих плечах, когда стараемся мешать его свободному падению. Но если станем двигаться вниз с такой же скоростью, как и груз, лежащий на нашей спине, то как же может он давить и обременять нас? Это подобно тому, как если бы мы захотели поразить копьем кого-нибудь, кто бежит впереди нас с такой же скоростью, с которой движется копье».

Когда космический аппарат движется по околоземной орбите, он находится в состоянии свободного падения. Аппарат все время падает, но не может достигнуть поверхности Земли, потому что ему сообщена такая скорость, которая заставляет его бесконечно вращаться вокруг нее (рис. 1). Это так называемая первая космическая скорость (7,8 км/с). Естественно, что все предметы, находящиеся на борту аппарата, теряют свой вес, иными словами, наступает состояние невесомости.

Рис. 1. Возникновение невесомости на космическом аппарате

Состояние невесомости можно воспроизвести и на Земле, но только на короткие промежутки времени. Для этого используют, например, башни невесомости - высокие сооружения, внутри которых свободно падает исследовательский контейнер. Такое же состояние возникает и на борту самолетов, выполняющих полет с выключенными двигателями по специальным эллиптическим траекториям. В башнях состояние невесомости длится несколько секунд, на самолетах - десятки секунд. На борту космического аппарата это состояние может продолжаться сколь угодно долго.

Такое состояние полной невесомости представляет собой идеализацию условий, которые в действительности существуют во время космического полета. На самом деле это состояние нарушается из-за различных малых ускорений, действующих на космический аппарат при орбитальном полете. В соответствии с 2-м законом Ньютона появление таких ускорений означает, что на все предметы, находящиеся на космическом аппарате, начинают действовать малые массовые силы , и, следовательно, состояние невесомости нарушается.

Действующие на космический аппарат малые ускорения можно разделить на две группы. К первой группе относятся ускорения, связанные с изменением скорости движения самого аппарата. Например, за счет сопротивления верхних слоев атмосферы при движении аппарата на высоте около 200 км он испытывает ускорение порядка 10 –5 g 0 (g 0 - ускорение силы тяжести вблизи поверхности Земли, равное 981 см/с 2). Когда на космическом аппарате включают двигатели, чтобы перевести его на новую орбиту, то он также испытывает действие ускорений.

Ко второй группе относятся ускорения, связанные с изменением ориентации космического корабля в пространстве или с перемещениями массы на его борту. Эти ускорения возникают при работе двигателей системы ориентации, при перемещениях космонавтов и т. д. Обычно величина ускорений, создаваемых двигателями ориентации, составляет 10 –6 - 10 –4 g 0 . Ускорения, возникающие вследствие различной деятельности космонавтов, лежат в диапазоне 10 –5 - 10 –3 g 0 .

Говоря о невесомости, авторы некоторых популярных статей, посвященных космической технологии, пользуются терминами «микрогравитация», «мир без тяжести» и даже «гравитационная тишина». Поскольку в состоянии невесомости отсутствует вес, но присутствуют силы тяготения, эти термины следует признать ошибочными.

Рассмотрим теперь другие условия, существующие на борту космических аппаратов при их полете вокруг Земли. Прежде всего это глубокий вакуум. Давление верхней атмосферы на высоте 200 км около 10 –6 мм рт. ст., а на высоте 300 км - около 10 –8 мм рт. ст. Такой вакуум умеют получать и на Земле. Однако открытое космическое пространство можно уподобить вакуумному насосу огромной производительности, способному очень быстро откачивать газ из любой емкости космического аппарата (для этого достаточно ее разгерметизировать). При этом, правда, необходимо учитывать действие некоторых факторов, приводящих к ухудшению вакуума вблизи космического аппарата: утечка газа из его внутренних частей, разрушение его оболочек под действием излучения Солнца, загрязнение окружающего пространства вследствие работы двигателей систем ориентации и коррекции.

Типичная схема технологического процесса производства какого-либо материала состоит в том, что к исходному сырью подводится энергия, обеспечивающая прохождение тех или иных фазовых превращений или химических реакций, которые и ведут к получению нужного продукта. Наиболее естественный источник энергии для обработки материалов в космосе - это Солнце. На околоземной орбите плотность энергии излучения Солнца составляет около 1,4 кВт/м 2 , причем 97 % этой величины приходится на диапазон длин волн от 3 · 10 3 до 2 · 10 4 ?. Однако непосредственное использование солнечной энергии для нагрева материалов связано с рядом трудностей. Во-первых, солнечную энергию нельзя использовать на затемненном участке траектории космического корабля. Во-вторых, требуется обеспечивать постоянную ориентацию приемников излучения на Солнце. А это, в свою очередь, усложняет работу системы ориентации космического аппарата и может повести к нежелательному увеличению ускорений, нарушающих состояние невесомости.

Что касается других условий, которые могут быть реализованы на борту космических аппаратов (низкие температуры, использование жесткой компоненты солнечной радиации и т. д.), то использование их в интересах космического производства в настоящее время не предусматривается.

Поведение вещества в невесомости

Агрегатные и фазовые состояния вещества. При рассмотрении особенностей поведения вещества в космических условиях часто используются такие понятия, как агрегатное и фазовое состояния, фаза и компоненты. Дадим определение этих понятий.

Агрегатные состояния вещества различаются по характеру теплового движения молекул или атомов. Обычно говорят о трех агрегатных состояниях - газообразном, твердом и жидком. В газах молекулы почти не связаны силами притяжения и движутся свободно, заполняя весь сосуд. Структура кристаллических твердых тел характеризуется высокой упорядоченностью - атомы расположены в узлах кристаллической решетки, возле которых они совершают лишь тепловые колебания. В результате кристаллические тела имеют строго ограниченную форму, а при попытке каким-то образом изменить ее возникают значительные упругие силы, противодействующие такому изменению.

Наряду с кристаллами известна и другая разновидность твердых тел - аморфные тела. Главная особенность внутреннего строения аморфных твердых тел - отсутствие полной упорядоченности: лишь в расположении соседних атомов соблюдается порядок, который сменяется хаотическим расположением их друг относительно друга на более значительных расстояниях. Наиболее важный пример аморфного состояния - это стекло.

Тем же самым свойством - ближнего порядка в расположении соседних атомов - обладает вещество в жидком агрегатном состоянии. По этой причине изменение объема жидкости не вызывает в ней возникновения значительных упругих сил, и в обычных условиях жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится.

Если вещество состоит из нескольких компонентов (химических элементов или соединений), то его свойства зависят от относительной концентрации этих компонентов, а также от температуры, давления и других параметров. Для характеристики конечного продукта, образующегося при таком комбинировании компонентов, используется понятие фазы. Если рассматриваемое вещество состоит из граничащих друг с другом однородных частей, физические или химические свойства которых различны, то такие части называются фазами. Например, смесь льда и воды представляет собой двухфазную систему, а вода, в которой растворен воздух, - однофазную, потому что в этом случае отсутствует граница раздела между компонентами.

Фазовое состояние - понятие, основанное на структурном представлении термина «фаза». Фазовое состояние вещества определяется только характером взаимного расположения атомов или молекул, а не их относительным движением. Наличие дальнего порядка (полная упорядоченность) соответствует кристаллическому фазовому состоянию, ближнего порядка - аморфному фазовому состоянию, полное отсутствие порядка - газообразному фазовому состоянию.

Фазовое состояние не обязательно совпадает с агрегатным. Например, аморфному фазовому состоянию соответствует обычное жидкое агрегатное состояние и твердое стеклообразное состояние. Твердому агрегатному состоянию соответствуют два фазовых - кристаллическое и аморфное (стеклообразное).

Рис. 2. Диаграмма р-Т равновесия однокомпонентной системы

Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом, или превращением. Если две или больше различных фаз вещества при данных температуре и давлении существуют одновременно, соприкасаясь друг с другом, то говорят о фазовом равновесии. На рис. 2 в качестве примера приведена диаграмма фазового равновесия однокомпонентной системы, построенная в координатах давление (р ) - температура (T ). Здесь изобара (т. е. прямая постоянного давления) а-а соответствует прямым переходам твердое тело - жидкость (плавление и затвердевание) и жидкость - газ (испарение и конденсация), изобара с-с - переходу твердое тело - газ (сублимация), а изобара в-в - сосуществованию всех трех фаз в так называемой тройной точке, при определенных значениях р и Т .

Влияние невесомости на жидкость. Как влияет тяготение на поведение вещества в различных агрегатных состояниях? В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, и сила тяготения не может оказать существенного влияния на процессы, происходящие в этом состоянии.

На процессы в газах эта сила может повлиять более значительно. Известно, например, что в условиях неравномерного нагревания различных слоев газа в атмосфере возникает под действием силы тяготения свободная конвекция, т. е. упорядоченный обмен газа между этими слоями. В условиях невесомости этот эффект может не возникнуть.

Но особенно сильное воздействие сила тяготения оказывает на жидкость. При переходе к невесомости в жидкости исчезает сила Архимеда, действующая на компоненты разной плотности и приводящая к их разделению, изменяется характер конвекционных течений, возрастает относительная роль межмолекулярных взаимодействий в жидкости и становится возможным ее свободное удержание вне сосуда (явление левитации). Рассмотрим по этим причинам подробнее процессы, происходящие в жидкости.

Как и в газе, в жидкости молекулы не сохраняют постоянного положения, а за счет тепловой энергии перемещаются с места на место. Если в каком-либо месте жидкости преобладают частицы одного сорта, то за счет более частых столкновений между собой они постепенно переходят в зону, где их концентрация меньше. Этот процесс называется диффузией. Вследствие диффузии за время t происходит смещение частиц на расстояние х = (2Dt ) 1/2 , где D - коэффициент диффузии. Если рассматривать частицы как сферы с радиусом r , то D = W · (??r ) –1 . Здесь W - тепловая энергия частиц, ? - вязкость жидкости, которая сильно зависит от ее температуры. Когда жидкость охлаждается, то вязкость возрастает и соответственно замедляются процессы диффузии.

Если изменение концентрации частиц одного сорта на расстоянии ? x внутри жидкости равно ? с , то через единичную площадку в 1 с должно проходить число частиц I = - D ? c /? x .

Жидкость может содержать несколько компонентов одновременно. Если содержание одного из компонентов мало, то такой компонент рассматривают как примесь. Если в начальный момент примесь распределена в жидкости неравномерно, то диффузионные процессы в жидкости ведут к установлению однородного распределения (гомогенизация).

В некоторых случаях жидкость может содержать компоненты разной плотности. На Земле под действием силы Архимеда постепенно происходит разделение этих компонентов (например, из молока образуются сливки и обрат). В невесомости этого разделения нет, и после затвердевания таких жидкостей могут быть получены вещества с уникальными свойствами. Жидкость может также содержать фазы, которые не смешиваются между собой, например, керосин и воду. На Земле между ними образуются четкие границы раздела. В невесомости путем перемешивания можно получить устойчивую смесь, состоящую из мелких капель той и другой фаз. После затвердевания из подобных смесей разных фаз можно получить однородные композиционные материалы, пенометаллы и т. п.

Возникновение границ раздела между различными фазами в жидкости связано с наличием силы поверхностного натяжения, или капиллярной силы, которая возникает из-за взаимодействия между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение можно уподобить силе, которая возвращает в исходное состояние струну, когда музыкант пробует оттянуть ее в сторону. Именно сила поверхностного натяжения приводит к тому, что из плохо закрытого крана падают капли, а не льется тоненькая струйка воды. Но на Земле эти капли невелики: сила тяжести много больше сил поверхностного натяжения и разрывает на части слишком крупные из них. В невесомости ничто не может препятствовать образованию весьма крупных капель, и жидкое тело, предоставленное само себе, будет принимать сферическую форму.

В действительности на борту космического аппарата из-за различного рода малых ускорений состояние невесомости нарушается. Если r - радиус сферы, форму которой принимает жидкость, то действующая на нее капиллярная сила приблизительно равна?r , где? - коэффициент поверхностного натяжения. Величина инерционных массовых сил, действующих на жидкость, равна?gr 3 , где? - плотность жидкости, g - малое ускорение. Очевидно, эффекты поверхностного натяжения будут играть главную роль, когда? · (?gr 2) –1 > 1. Этим условием определяется возможность получения в состоянии, близком к невесомости, жидких сфер с радиусом r . Такие жидкие сферы на борту космических аппаратов могут находиться в свободно плавающем состоянии, когда для их удержания не нужны сосуды. Если это жидкий расплав, то при его затвердевании на Земле со стенок сосуда поступают вредные примеси. В космосе можно обойтись без сосуда и, следовательно, получать более чистые вещества.

Тепло- и массообмен в невесомости. Существенное влияние переход к невесомости оказывает также на процессы тепло- и массобмена в жидкостях и газах. Перенос тепла может осуществляться теплопроводностью, конвекцией или излучением, а также любым сочетанием этих механизмов. Теплопроводность - это процесс переноса тепла из зоны с более высокой температурой в зону, где температура ниже, путем диффузии молекул среды между этими зонами. По этой причине коэффициент теплопроводности пропорционален коэффициенту диффузии.

Теплообмен излучением характерен главным образом для твердых и жидких тел и происходит при достаточно высоких температурах. Процессы лучистого теплообмена и теплопроводности не зависят ни от силы тяжести, ни от малых массовых сил, действующих на борту космических аппаратов.

Иное дело конвективный теплообмен. Конвекция - это перенос тепла в жидкой или газообразной среде путем макроскопического перемещения вещества этой среды. Выше уже приводился простейший пример конвекции - свободная (или естественная) конвекция, возникающая вследствие неравномерного распределения температуры в среде, подверженной действию массовых сил (например, силы тяжести или инерционных сил, вызванных малыми ускорениями на борту космического аппарата). Это явление каждый может легко наблюдать у себя дома в любых кипятильниках, когда слои жидкости, имеющие более высокую температуру и вследствие этого более низкую плотность, будут всплывать вверх и переносить с собой теплоту, а на их место, на горячее дно кипятильника, будут опускаться более холодные и плотные слои.

Относительная роль теплообмена за счет свободной конвекции и теплопроводности определяется числом Рэлея:

Здесь g - действующее на систему ускорение, L - характерный размер системы, ? - коэффициент объемного расширения, ? T - перепад температуры в среде, ? - коэффициент теплопроводности, ? - вязкость среды. Отсюда следует, что в условиях, приближающихся к невесомости (g -> 0), Ra -> 0, и, следовательно, ролью конвекции, ведущей к эффективному перемешиванию среды, можно пренебречь.

Этот вывод имеет двоякое значение. Во-первых, уменьшается вклад конвекции в процессы теплообмена, и передача тепла осуществляется более медленным процессом теплопроводности. Во-вторых, исключение конвекционных токов в среде приводит к тому, что основную роль в массообмене будут играть не макроскопические перемещения вещества, а процессы диффузии. А это, в свою очередь, открывает возможность получения веществ, распределение примесей в которых будет значительно более однородным, чем на Земле.

Кроме свободной конвекции, существует целый ряд Других конвекционных эффектов, одна часть которых зависит от массовых сил, а другая нет. Известна также вынужденная конвекция, которая происходит под действием какого-либо внешнего фактора (например, мешалки, насоса и т. п.). В космических условиях этот вид конвекции используют, чтобы обеспечить нужную скорость отвода тепла от работающих агрегатов.

В качестве примера конвекции, не зависящей от массовых сил, укажем термокапиллярную конвекцию, которая выражается в том, что на границе жидкой фазы могут возникать и распространяться волны. Капиллярные волны обусловлены перепадами температуры, из-за наличия которых величина коэффициента поверхностного натяжения непостоянна вдоль поверхности. Этот тип конвекционного течения, очевидно, не зависит от величины g и может приводить к ухудшению однородности материалов, полученных в космических условиях. Способ компенсации вредных последствий этого эффекта состоит в уменьшении фактических перепадов температуры вдоль поверхности раздела фаз.

Космические аппараты и специальное оборудование для космического производства

Оборудование для космических экспериментов. Говоря о проблеме производства в космосе новых материалов, обычно имеют в виду пять направлений исследований и разработок:

1. Космическая металлургия.

2. Полупроводниковые материалы.

3. Стекло и керамика.

4. Медико-биологические препараты.

5. Исследование физических эффектов в условиях невесомости.

Первые четыре направления непосредственно нацелены на получение новых или улучшенных материалов и изделий на борту космических аппаратов (КА). Задача пятого направления состоит в развитии науки о поведении вещества в космических условиях с целью создания теоретических основ космического производства.

Проведение исследований во всех этих направлениях требует разработки специальных бортовых установок. Поэтому перед тем как перейти к разбору конкретных направлений, целесообразно рассмотреть, как обстоит дело с созданием специального оборудования для космических экспериментов. При этом мы ограничимся в данном разделе рассмотрением наиболее универсальных типов установок, которые могут быть использованы для решения ряда различных задач. Про те экспериментальные установки, которые имеют более узкое назначение или предназначены для выполнения конкретных исследований, удобнее рассказать, обсуждая сами эти исследования.

Для всех практических направлений, за исключением получения биологических препаратов, основная схема производственного процесса состоит в следующем. Исходный материал (сырье) подвергается на борту КА тепловой обработке, плавится или испаряется. Затем он затвердевает. Поскольку этот процесс происходит в условиях невесомости, то в соответствии с анализом, выполненным в предыдущей главе, можно ожидать улучшения характеристик конечного продукта. По этим причинам основной вариант технологического оборудования для обработки неорганических материалов - это нагревательные установки различных типов.

Для нагрева исходного материала можно использовать тепло экзотермических реакций . Типичный нагреватель такого типа состоит из цилиндрического патрона, заполненного смесью химических веществ, и ампулы с исследуемым материалом, которая размещается по оси патрона. Для инициирования химической реакции обычно используется маломощный электрический импульс. Преимущество подобных установок состоит в том, что в них за сравнительно малые времена (секунды или десятки секунд) могут быть получены достаточно высокие температуры. Поэтому такие нагревательные установки находят применение в первую очередь в тех случаях, когда продолжительность состояния невесомости ограничена.

Другая разновидность нагревательных устройств для обработки материалов - электронагревные печи. Известно несколько конструктивно различных вариантов таких печей. В рабочей зоне изотермической печи поддерживается температура 1200–2400 °C. Для снижения расхода электроэнергии эта зона окружена многофольговой изоляцией, изготовленной из специальных материалов.

Для выращивания кристаллов необходимо, чтобы в печи имелась зона с перепадом температуры. На рис. 3 представлена одна из возможных схем установок подобного типа. Через зону с перепадом температуры протягивается ампула, содержащая исследуемое вещество. В точке, где достигается температура плавления, сырье плавится, а когда расплавленный материал попадает в область более низких температур, он начинает кристаллизоваться. Существующие установки такого типа обеспечивают температуру 1050–1150 °C, в проектируемых установках предполагается поднять ее до 2000 °C.

Рис. 3. Схема выращивания монокристаллов из расплава (1 - расплав; 2 - затравочный кристалл; 3 - механизмы вытягивания и вращения; 4 - шток; 5 - тигель; 6 - индуктор для нагрева расплава)

Недостаток установок подобной изображенной на рис. 3 состоит в том, что со стенок ампулы (тигля) в расплав могут поступать примеси, загрязняющие получаемый материал и ухудшающие его качество. На рис. 4 показана схема электронагревной печи, в которой использован метод зонной плавки, позволяющий частично устранить этот недостаток. В этой установке вещество также подвергается переплаву в зоне с перепадом температуры, но при этом оно не контактирует непосредственно со стенками ампулы. Нагрев может осуществляться с помощью токов высокой частоты, источников инфракрасного излучения или дуговых источников света, снабженных фокусирующими зеркалами и т. д. В последнем случае ампула изготавливается из прозрачного материала, например из кварца. Метод зонной плавки позволяет также обеспечить получение более высоких температур. Расплавленное вещество не касается стенок тигля и удерживается силами поверхностного натяжения. Поэтому максимальные размеры зоны определяются из условия баланса действующих на расплав массовых сил и сил поверхностного натяжения. Массовые силы на борту КА, обусловленные малыми ускорениями, много меньше силы тяжести. Это означает, что размеры расплавленной зоны в космических условиях и соответственно размеры кристаллов, получаемых в таких установках, могут быть значительно больше, чем на Земле.

Рис. 4. Метод зонной плавки (1 - расплавленная зона; 2 - индуктор; 3 - стенка печи; 4 - ампула; 5 - стержень исследуемого вещества; 6 - механизм протягивания и вращения стержня)

На рис. 5 представлена схема выращивания кристаллов из паровой фазы. Ампула размещается в печи с перепадом температуры таким образом, чтобы исходный материал оказался в горячей зоне. Массоперенос осуществляется в паровой фазе, а на холодном конце ампулы происходит его конденсация с образованием кристаллов. Парофазные методы используются, например, для получения эпитаксиальных пленок, которые широко применяются в электротехнике.

Эпитаксия - это осаждение монокристаллических пленок на монокристаллической подложке. Эпитаксиальная пленка как бы повторяет структуру подложки и представляет собой нечто вроде двумерного кристалла. Ее совершенство определяется, в частности, процессами конвекции в паровой фазе. Конвекция ведет к неконтролируемым условиям на поверхности растущего слоя и в конечном счете к дефектам кристаллической решетки. В космосе можно рассчитывать на ограничение роли конвекции и соответственно на повышение качества получаемых материалов.

Рис. 5. Схема выращивания кристаллов из паровой фазы

Ранее отмечалось, что в космических условиях возможно бесконтейнерное удержание жидкостей. Установки, в которых осуществляется этот процесс, называются левитаторами. Поскольку на борту КА действуют ускорения порядка 10 –5 - 10 –4 g 0 , в левитаторах должны быть приняты меры по удержанию свободно плавающей жидкости в центре рабочей камеры. Для этой цели можно использовать ультразвуковые поля, аэродинамическое удержание или переменное электромагнитное поле. Последний метод пригоден лишь для проводящих материалов и не годится, например, для работы со стеклом. Нагрев материалов в левитаторе можно осуществить с помощью оптических нагревателей, токов высокой частоты, электронных пучков и т. д. Установки этого типа, очевидно, отличаются особой сложностью, но позволяют практически реализовать такое важное преимущество производства материалов в космосе, как их бесконтейнерная обработка. Левитаторы разных типов в настоящее время находятся в стадии разработки.

Эксперименты в области космической технологии. Впервые технологические космические эксперименты были осуществлены в 1969 г. в Советском Союзе. С этой целью в Институте электросварки им. Е. О. Патона была разработана специальная установка «Вулкан», предназначенная для изучения и отработки методов сварки и резки металлов на борту космических аппаратов. Установка «Вулкан» была размещена на борту космического корабля «Союз-6», и 16 октября 1969 г. экипаж корабля - летчики-космонавты СССР Г. С. Шонин и В. Н. Кубасов - успешно провели ее испытание.

В 1973–1974 гг. серия технологических экспериментов была осуществлена на американской космической станции «Скайлэб». Для проведения этих экспериментов в США была разработана специальная установка для обработки материалов. Эта установка включала в себя вакуумную камеру, электронную пушку для плавки образцов, электронагревную печь и другое оборудование. Разработанная для станции «Скайлэб» универсальная печь обеспечивала максимальную температуру 1050 °C и позволяла работать в различных температурных режимах (постоянная высокая температура, перепад температуры по длине ампулы, программированное охлаждение). Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались в печи космонавтами.

Следующим шагом на пути развертывания работ в области технологических экспериментов в космосе явилась совместная советско-американская программа «Союз» - «Аполлон» (ЭПАС). Во время полета этих кораблей в июле 1975 г. с помощью модифицированной электронагревной печи и установок для исследования методов получения чистых медико-биологических препаратов был осуществлен ряд новых технологических экспериментов.

Проведение технологических экспериментов было включено также в программу исследований на советской космической станции «Салют-5». С этой целью был разработан специальный комплект приборов - «Кристалл», «Диффузия», «Поток», «Сфера», «Реакция» (рис. 6), предназначенный для исследования широкого круга вопросов в области наук о веществе в космосе, а также для отработки методов пайки в космических условиях.

Технологические эксперименты с этими приборам были успешно выполнены в июле - августе 1976 г. летчиками-космонавтами СССР Б. В. Вольтовым и В. М. Жолобовым и в феврале 1977 г. - В. В. Горбатко Ю. Н. Глазковым.

Наряду с исследованиями, проводившимися на борту пилотируемых космических станций и кораблей, как в Советском Союзе, так и в США технологические эксперименты осуществлялись в автоматическом режиме при запусках высотных ракет.

Отличительная черта этих экспериментов - сравнительно ограниченная продолжительность состояния невесомости (5–7 мин на американских ракетах, около 10 мин - на советских). Поэтому для проведения таких экспериментов в Советском Союзе разработаны установки, в которых для плавления образцов используется тепло экзотермических реакций.

На американских высотных ракетах применяется электронагревательная ампульная печь, которая не может обеспечить столь же быстрого разогрева заготовок и которую поэтому приходится включать заблаговременно, до старта ракеты.

Исследования на высотных ракетах позволяют выполнять космические эксперименты более оперативно и на более простом оборудовании, и поэтому их следует рассматривать как полезное дополнение к работам на космических станциях и кораблях.

Рис. 6. Приборы для проведения технологических экспериментов на станции «Салют-5» (а - прибор «Кристалл»; б - прибор «Реакция»)

Космические аппараты и технологические модули. Перспектива развития работ в области технологии обработки материалов в космосе состоит в том, что от экспериментальных исследований будет осуществлен постепенный переход к полупромышленному производству на борту КА некоторых материалов, а затем и к производству в промышленном масштабе. Согласно зарубежным оценкам, можно ожидать, что к 1990 г. грузопоток продукции космического производства, а также необходимого оборудования достигнет нескольких десятков тонн в год.

Создание в СССР долговременной орбитальной станции «Салют» и экономичной системы ее транспортного обеспечения с помощью пилотируемых кораблей «Союз» и автоматических кораблей «Прогресс» открывает новые большие возможности для проведения технологических экспериментов, отработки необходимого оборудования, а также анализа технологических процессов в условиях длительной невесомости.

Разработка и совершенствование орбитальных пилотируемых комплексов, предназначенных для решения задач научного и прикладного характера, как известно, является магистральным направлением развития отечественной космонавтики. Одна из основных задач связана при этом с развитием наук о поведении вещества в условиях невесомости и с обеспечением потребностей производства материалов в космосе.

В рамках этой программы в Советском Союзе был осуществлен самый длительный в истории космонавтики полет орбитального научно-исследовательского комплекса «Салют-6» - «Союз», продолжавшийся 96 суток и успешно завершенный 16 марта 1978 г. На борту этого комплекса летчики-космонавты СССР Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко, А. А. Губарев и летчик-космонавт ЧССР В. Ремек осуществили новые важные технологические эксперименты.

В дальнейшем, по мере возрастания грузопотоков, средства снабжения орбитальных научных комплексов будут совершенствоваться. Появятся новые грузовые корабли для доставки оборудования, приборов и заготовок из различных материалов на борт орбитальных комплексов. Изделия и материалы, полученные в космосе, будут доставляться в космос и возвращаться на Землю с помощью (многоразовых космических кораблей. В состав орбитальных комплексов будут входить специализированные технологические модули.

Некоторые технологические операции в космосе, например получение материалов сверхвысокой чистоты, требуют обеспечения глубокого вакуума. С этой целью в сочетании с ДОС можно использовать так называемый молекулярный экран, который с помощью специальной штанги размещается на расстоянии около 100 м от корабля. Диаметр экрана - 3 м.

Поскольку скорости теплового движения молекул остаточного газа меньше скорости поступательного движения корабля вместе с экраном по орбите (8 км/с), за экраном возникнет зона повышенного разрежения. Давление остаточного газа в этой зоне будет порядка 10 –13 - 10 –14 мм рт. ст.

Разработка транспортных космических кораблей, способных обеспечить экономически эффективные транспортные перевозки, создание долговременных орбитальных станций типа советских космических станций «Салют» открывают дорогу к сооружению в космосе действующих фабрик по производству истых материалов.

По мнению специалистов, подобные космические фабрики начнут действовать уже в 1990-х годах.

Исследование физических основ космического производства

Процессы тепло- и массопереноса. Выяснение особенностей процессов переноса тепла и массы в условиях, близких к невесомости, необходимо для оптимальной организации производства в космосе новых материалов. С целью изучения этих особенностей проводятся как теоретические, так: и экспериментальные исследования.

Один из таких экспериментов был выполнен на космической станции «Салют-5» космонавтами В. В. Горбатко и Ю. Н. Глазковым в феврале 1977 г. Целью этого эксперимента было исследование процесса взаимодиффузии расплавленных веществ в условиях, близких к невесомости.

Эти исследования на станции «Салют-5» проводились с помощью специального прибора «Диффузия» - Прибор представлял собой цилиндрическую электронагревную печь, содержащую внутри две кварцевые ампулы, каждая из которых была частично заполнена дибензилом, а частично - толаном. Эти органические вещества обладают различной плотностью и при комнатной температуре находятся в кристаллическом состоянии. Ампулы в цилиндрической электронагревной печи располагались таким образом, что небольшая массовая сила, возникавшая из-за аэродинамического торможения станции, была направлена вдоль их оси.

После включения прибора оба вещества расплавились, и в течение трех суток продолжался процесс их взаимодиффузии через границу раздела расплавов. Температура по длине ампул поддерживалась постоянной. После отключения прибора происходило охлаждение и затвердевание сплава, структура которого имела поликристаллический характер.

Для сравнения результатов космического эксперимента с теорией с помощью ЭВМ был выполнен расчет процесса переноса массы для условий, соответствующих эксперименту с прибором «Диффузия». Расчет показал, что поскольку температура по длине ампулы оставалась постоянной в ходе эксперимента, тепловая конвекция должна отсутствовать, а возникающая на границе раздела жидкостей концентрационная конвекция оказывала заметное влияние на перенос массы лишь на начальном этапе эксперимента. Иными словами, согласно проведенным расчетам, основной вклад в перенос массы в исследованных условиях должны были дать чисто диффузионные процессы.

После проведения эксперимента и возвращения космонавтов на Землю доставленные из космоса ампулы были тщательно изучены в лаборатории. Исследования распределения вещества по длине ампулы позволили определить значение коэффициента диффузии. Для сравнения на Земле были выполнены контрольные опыты с такими же ампулами. Оказалось, что величина коэффициента диффузии, определенная в космических условиях для сплава дибензила с толаном, близка к теоретическому знанию (около 9,5 · 10 –6 см/с 2) и несколько превосходит величину, полученную в контрольных опытах на Земле, но это расхождение находится в пределах ошибки метода. Следует отметить также, что на Земле отсутствует возможность точно воспроизвести характер тех микроускорений, которые воздействовали на расплав в космосе.

Близкий по замыслу эксперимент также был поставлен на космической станции «Скайлэб». В отличие от исследований, выполненных на станции «Салют-5», американские ученые изучали не взаимную диффузию двух различных веществ, а более простой случай - процесс самодиффузии. С этой целью в цинковый цилиндрический стержень вставлялся диск, изготовленный из радиоактивного изотопа цинка Zn 65 . При нагреве стержень плавился, вдоль него устанавливался перепад температуры, в результате чего начинался процесс диффузии радиоактивного изотопа в основной материал (самодиффузия). В предположении, что в космических условиях влиянием конвекции на перенос массы можно пренебречь и основную роль там играет процесс диффузии, был выполнен расчет распределения радиоактивного изотопа по длине стержня. Результаты расчета хорошо совпали с данными космического эксперимента (рис. 7). В контрольных экспериментах, проведенных с аналогичными образцами на Земле, эффективный коэффициент диффузии радиоактивного цинка вследствие конвекции оказался в 50 раз выше, чем для космических условий.

Рис. 7. Распределение радиоактивного цинка вдоль образца (о и? - эксперименты на Земле для двух положений образца, сплошная линия - расчет и эксперименты в космосе)

Этот эксперимент, как и эксперимент с прибором «Диффузия», показал, что для исследованных условий влиянием конвекции на перенос массы в расплаве можно пренебречь и что основную роль играет процесс диффузионного переноса. Этот вывод подтверждает возможность получения в космосе кристаллических материалов с однородной структурой, которую в земных условиях нарушают, в частности, конвекционные течения. Однако практически реализовать эту возможность и обеспечить получение в космосе материалов с более однородным распределением примесей удается не всегда.

Рассмотрим в качестве примера эксперимент «Универсальная печь», поставленный при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». В ходе этого эксперимента исследовалась возможность получения однородных монокристаллов германия, содержащих примеси кремния (0,5 % по массе) и сурьмы (сотые доли процента). Цилиндрический образец нагревался до температуры плавления, за исключением холодного конца, который предполагалось использовать в качестве «затравки» при кристаллизации. Образец выдерживался при максимальной температуре в течение 1 ч, после чего 5 ч охлаждался со скоростью 0,6 град/мин, а затем происходило неконтролируемое охлаждение печи до полного остывания (рис. 8).

Рис. 8. Патрон для эксперимента «Универсальная печь» (1 - графитовый нагревательный блок; 2 - графитовый тепловой вкладыш; 3 - оболочка из нержавеющей стали; 4 - изоляция; 5 - запорный механизм; 6 - блок отвода тепла; 7 - медный тепловой вкладыш)

Анализ доставленных на Землю образцов показал, что, вопреки ожиданиям, после переплава и затвердевания в условиях, близких к невесомости, распределение примесей в поперечном сечении образца стало менее однородным. При этом более легкая примесь (кремний) сместилась в одном направлении по диаметру образца, а более тяжелая (сурьма) - в противоположном. Такое перераспределение примесей в образце, возможно, связано с тем, что именно по диаметру ампулы действовали во время эксперимента малые ускорения, обусловленные работой двигателей системы ориентации и стабилизации корабля. Однако конкретный механизм процессов, приведших к ухудшению однородности распределения примеси в этом эксперименте, в настоящее время однозначно не установлен.

Возможно, что для того диапазона ускорений, которые наблюдались на борту корабля «Аполлон» во время эксперимента «Универсальная печь», конвекционные течения были особенно интенсивны. Выполненные советскими учеными с помощью ЭВМ расчеты процессов тепло- и массопереноса для условий, соответствующих этому эксперименту, подтвердили такую возможность. В этом случае перераспределение примесей в расплаве и ухудшение однородности образца после его перекристаллизации в космосе следует связать именно с возникшими в расплаве конвекционными течениями. Но возможны и другие объяснения результатов эксперимента «Универсальная печь».

Рассмотренные эксперименты показали, что для правильной организации в космосе процессов массопереноса необходимо обеспечить такие условия, когда конвекционными эффектами можно пренебречь. В противном случае в зависимости от конкретных условий возможно как повышение, так и ухудшение однородности распределения примесей в исследуемых материалах.

Если в приведенных примерах необходимо было проанализировать возможное влияние на процессы тепло- и массопереноса естественной конвекции, которая зависит от величины малого ускорения, действующего на космический аппарат, то в других случаях следует учитывать конвекционные эффекты, не зависящие от ускорений. Укажем в качестве примера на термокапиллярную конвекцию, которая в некоторых случаях также может явиться причиной ухудшения структуры материала, получаемого в космосе.

Например, при зонной плавке, используемой для выращивания кристаллов, существует поверхность раздела между жидкостью и находящимся над ней насыщенным паром. Вдоль этой поверхности возможно изменение температуры, а поскольку от нее зависит поверхностное натяжение, то в этих условиях может возникнуть конвекционное течение. Когда перепад температуры начинает превышать некоторую критическую величину, в расплаве возникают конвекционные токи, носящие колебательный характер и ведущие к неравномерному поступлению примеси в зону кристаллизации. В результате примесь внутри кристалла будет распределена также неоднородно (явление полосчатости). По сравнению со свободной конвекцией, интенсивность которой зависит от уровня ускорений на космическом аппарате, преодоление термокапиллярных течений требует принятия других мер (ограничение величины перепадов температуры и т. д.).

Рассмотренные выше экспериментальные и теоретические исследования процессов переноса вещества в условиях, близких к невесомости, относились к расплавам. Однако в этих условиях и для газообразного состояния вещества процессы переноса могут иметь свои особенности. Приведем в качестве примера также эксперимент на станции «Скайлэб», в котором исследовалось выращивание кристаллов полупроводников - селенида и теллурида германия - из газовой фазы. Этот метод основан на том, что на горячем конце запаянной ампулы вещество, находящееся в газовой фазе (иодистый германий), реагирует с поверхностью твердого исходного материала, а затем под действием перепада температуры диффундирует в сторону холодного конца ампулы. Там, в более холодной зоне, происходят конденсация паров на затравочном кристалле и образование нужных кристаллов. Ожидалось, что скорость массопереноса продукта в газовой фазе будет определяться чисто диффузионными процессами. В земных условиях эта скорость значительно возрастает из-за конвекции. Этот эксперимент показал, что фактическая скорость переноса массы в космических условиях ниже наблюдаемой на Земле, но выше величины, рассчитанной в чисто диффузионном приближении.

Сходные результаты получены также в эксперименте, поставленном при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». Это расхождение в скоростях диффузионного переноса можно связать с особенностями химических реакций в газообразном состоянии, которые не учитываются в существующих методах расчета.

Механика жидкости. Рассматривая механику жидкости в невесомости как один из разделов теоретических основ космического производства, необходимо изучить вопросы поверхностного натяжения и смачивания, капиллярные эффекты, устойчивость форм жидкости и поведение содержащихся в ней включений - газовых пузырей, твердых частиц и т. д. Для качественного исследования этих вопросов удобно проводить на борту космических аппаратов эксперименты с использованием воды и водных растворов.

Серия подобных экспериментов демонстрационного характера была выполнена, например, на американской космической станции «Скайлэб». Методом киносъемки исследовались поведение свободно плавающих водяных сфер, их колебания, вызванные толчком шприца, развал сфер при вращении. Влияние поверхностного натяжения на затухание колебаний жидкости и на ее взаимодействие с твердой поверхностью изучалось путем добавления в жидкость мыльного раствора, что вело к изменению коэффициента поверхностного натяжения.

Другая экспериментальная установка, использованная на станции «Скайлэб» для проведения демонстрационных опытов по механике жидкостей, позволяла моделировать поведение плавающей зоны. В этой установке между двумя стержнями, которые можно было раздвигать и вращать независимо друг от друга, создавалась жидкая перемычка с разными коэффициентами поверхностного натяжения (за счет добавления в воду мыльного раствора). На этой установке исследовалась устойчивость жидкой зоны по отношению к вращению и перемещению стержней при изменении величины коэффициента поверхностного натяжения.

Следующая задача механики жидкости состоит в изучении поведения газовых и других включений. На важность этих исследований еще в 1969 г. указали советские ученые, проводившие на корабле «Союз-6» первые опыты по сварке и отметившие появление в сварных швах газовых включений. На Земле пузыри удаляются из жидкости под действием силы Архимеда, в космосе этого не происходит. В некоторых случаях такие включения могут приводить к ухудшению качества материала. Для управления динамикой газовых и других включений в жидкостях советские ученые предложили использовать ультразвуковые колебания жидкости и провели на борту летающей лаборатории в условиях кратковременной невесомости эксперименты, подтвердившие перспективность этого метода.

Учитывая важность исследований в области механики жидкости, соответствующие опыты были включены также и в программу экспериментов на станции «Салют-5». Цель этих экспериментов состояла в том, чтобы исследовать движение жидкости под действием одних только капиллярных сил и получить качественные данные о поведении пузырей в жидкости в условиях, близких к невесомости. Эксперименты были выполнены космонавтами Б. В. Вольтовым и В. М. Жолобовым с помощью приборов «Поток» и «Реакция».

Прибор «Поток» представлял собой прямоугольный параллелепипед, изготовленный из прозрачного оргстекла и содержащий внутри две полости, внутренняя поверхность одной из которых водой смачивается, а другой - нет. Сферические полости соединены между собой капиллярным и дренажным каналами, снабженными запорными вентилями. Перед началом эксперимента вентили открыли, и под действием сил поверхностного натяжения произошло перетекание водного раствора из первоначально заполненной жидкостью полости с несмачиваемыми стенками в полость, стенки которой смачивались водой. По дренажному каналу происходило выравнивание давления воздуха между полостями. При испытании прибора на летающей лаборатории процесс перетекания жидкости из одной полости в другую регистрировался с помощью киносъемки.

При испытании прибора на станции «Салют-5» исследовалась устойчивость газового пузыря в жидкости к механическим воздействиям. При интенсивном встряхивании прибора газовый пузырь, находившийся в заполненной жидкостью полости, разбился на большое количество (около 100) мелких пузырьков. В дальнейшем эти пузырьки постепенно сливались в один большой, но продолжительность этого процесса была значительной - около двух суток.

Рис. 9. Схема расположения трубки и муфты в приборе «Реакция».

Прибор «Реакция» состоял из корпуса и двух контейнеров с цилиндрическими экзопакетами , внутри каждого из которых размещалась трубка из нержавеющей стали с надетой на нее муфтой (рис. 9). В зазоре между трубкой и муфтой помещался марганец-никелевый припой, который при проведении эксперимента плавился, растекался вдоль зазора, а при охлаждении затвердевал и обеспечивал получение прочных паяных соединений муфты с трубкой. Как показало исследование паяных образцов, доставленных на Землю, жидкий припой смочил поверхности и перетек по капиллярному зазору, образованному между внутренней поверхностью муфты и трубкой, из кольцевой полости большего размера в кольцевую полость меньшего размера (рис. 10).

Таким образом, с помощью прибора «Реакция» была продемонстрирована возможность перетекания жидкости под действием сил поверхностного натяжения. Этот способ управления потоками жидкости может оказаться полезным практически, например, для производства в космосе литых изделий сложной формы. Сходные эксперименты по исследованию растекания жидкого металла (олово) вдоль медных изложниц сложной формы под действием сил поверхностного натяжения были выполнены также при запуске в СССР высотной ракеты в марте 1976 г.

Рис. 10. Поперечный (а) и продольный (б) разрезы паяного соединения в приборе «Реакция»

Процессы кристаллизации. Важнейший процесс получения материалов в космических условиях - это их кристаллизация. Монокристаллы можно получать из растворов, расплавов или из паровой фазы. На различных космических аппаратах исследовались особенности всех трех способов получения кристаллов. Рассмотрим в качестве примера эксперименты по выращиванию кристаллов, выполненные на станции «Салют-5», а также во время совместного полета кораблей «Союз» и «Аполлон».

На станции «Салют-5» исследовались особенности роста кристаллов из водных растворов. Главной отличительной чертой подобных экспериментов в космосе является отсутствие конвекции в жидкости, которая приводит к колебаниям скорости роста и состава кристалла. С этой точки зрения качество кристаллов, получаемых в космосе, должно быть более высоким. Но с другой стороны, в космических условиях на пузырьки газа в жидкости не действует сила Архимеда, и эти пузырьки могут захватываться растущими гранями кристалла.

Исследование этих процессов на станции «Салют-5» проводилось с помощью прибора «Кристалл». Он представлял собой термостат с тремя кристаллизаторами, в каждом из которых происходило выращивание кристаллов алюмокалиевых квасцов из их водного раствора (см. рис. 6). Алюмокалиевые квасцы были выбраны в качестве исследуемого материала, поскольку их свойства и особенности роста на Земле хорошо изучены. Для того чтобы вызвать процесс кристаллизации, в каждый из растворов вводился кусочек кристалла («затравка»). На его гранях и начинался рост кристалла, материал которого вследствие диффузии поступал из раствора. На рис. 11 показаны образцы кристаллов алюмокалиевых квасцов, выращенных на орбитальной станции «Салют-5».

Эксперимент с кристаллизатором № 1 продолжался в течение 24 суток (с 14 июля по 8 августа 1976 г.). Первая экспедиция на станцию «Салют-5» - космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов - доставила на Землю кристаллы из этого кристаллизатора, которые выросли не только на «затравке», но и в объеме кристаллизатора (массовая, или объемная, кристаллизация). Эксперимент с кристаллизатором № 2 продолжался 185 суток (с 9 августа 1976 г. по 11 февраля 1977 г.). Большая часть этого эксперимента происходила в то время, когда станция «Салют-5» находилась в беспилотном управляемом режиме. Вторая экспедиция - космонавты В. В. Горбатко и Ю. Н. Глазков - доставила на Землю большое количество кристаллов, полученных при массовой кристаллизации. Было отмечено интересное явление - срастание отдельных кристаллов в цепочки («ожерелья»). Опыт в кристаллизаторе № 3 проводился 11 суток. На Землю был доставлен кристалл, выросший на «затравке», массовая кристаллизация в этом кристаллизаторе отсутствовала (см. рис. 11).

Изучение кристаллов, выросших в кристаллизаторе № 1, показало, что «космические» кристаллы отличаются от выращенных на Земле как по внешней огранке кристаллов (хорошо развиты те грани кристалла, которые обычно слабо развиты в земных образцах), так и во внутренней структуре (космические образцы содержат повышенное количество газово-жидких включений). Исследование кристаллов, полученных при массовой кристаллизации в кристаллизаторе № 2, показало, что и они содержат газово-жидкие включения. Наблюдаются сростки из четырех - пяти отдельных кристалликов. Для кристалла, выросшего в кристаллизаторе № 3, характерно чередование зон, содержащих газовые включения с зонами, чистыми от включений.

Рис. 11. Кристаллы алюмокалиевых квасцов, выращенные на станции «Салют-5» (а - образцы из кристаллизатора № 1; б - из кристаллизатора № 2; в - из кристаллизатора № 3)

Исследования доставленных из космоса кристаллов показали также, что в них не наблюдается полосчатости, характерной для земных условий и свидетельствующей о колебаниях скорости роста. Этот результат может быть следствием отсутствия конвекции в растворе в космических условиях.

Источником газово-жидких включений в кристаллах являются, очевидно, пузырьки газа, растворенного в жидкости и выделяющегося на фронте кристаллизации. Пузырьки газа захватываются растущим кристаллом и вызывают захват жидкого раствора. Используя в последующих экспериментах обезгаженные растворы, можно будет выращивать в космосе кристаллы, не содержащие таких включений. Сростки кристаллов, наблюдавшиеся в кристаллизаторе № 2, в котором процесс кристаллизации продолжался около полугода, видимо, обусловлены взаимным притяжением кристаллов, растущих в объеме жидкости в течение длительного времени.

Особенности роста кристаллов из расплава также исследовались на примере германия также в эксперименте, проведенном во время полета кораблей «Союз» - «Аполлон». Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались в электронагреаную печь, где германий подвергался частичному плавлению с последующим затвердеванием в режиме программированного охлаждения со скоростью 2,4 град/мин. Для экспериментального определения скорости роста кристалла каждые четыре секунды проводились метки поверхности раздела фаз путем пропускания через расплав коротких импульсов электрического тока. При послеполетной обработке образцов эти метки были выявлены и по ним была измерена скорость роста кристалла, составившая в конце периода охлаждения около 10 –3 см/с. В контрольных экспериментах, поставленных на Земле, эта скорость оказалась приблизительно такой же. Этот результат означает, что как в космосе, так и на Земле теплообмен в расплаве определялся для данного случая, главным образом теплопроводностью, а роль конвекции пренебрежимо мала. Кристаллы, полученные в космосе, были значительно крупнее тех, которые удалось вырастить на Земле в такой же установке.

В эксперименте, который был осуществлен также в рамках программы «Союз» - «Аполлон», изучался рост кристаллов из паровой фазы. Кристаллы типа германий - селен - теллур росли в запаянных ампулах, которые устанавливались в зону с перепадом температуры электронагревной печи. Эксперимент показал, что доставленные из космоса кристаллы более совершенны, чем контрольные образцы, полученные на Земле (более высокая однородность, меньше дефектов кристаллической решетки и т. д.). Одновременно было установлено, что вопреки теоретическим ожиданиям скорость переноса массы превышает величину, рассчитанную в чисто диффузионном приближении, но меньше значения, полученного в контрольных экспериментах на Земле, где значительную роль играла конвекция. Этот результат еще требует теоретического объяснения.

Таким образом, выполненные в космосе эксперименты по выращиванию кристаллов из растворов, расплавов и из паровой фазы показали, что в космических условиях можно получить кристаллические материалы, обладающие более высоким совершенством и однородностью. Вместе с тем установлено, что ряд экспериментально наблюдаемых особенностей роста кристаллов в невесомости не получил пока необходимого теоретического освещения и нуждается в дальнейшем исследовании.

Бесконтейнерное затвердевание в невесомости. Процессы формообразования жидких тел и их затвердевания в условиях, когда на них не действует сила веса, имеют свои особенности. Во-первых, предоставленная в этих условиях самой себе жидкость стремится, как известно, принять форму шара. Однако в действительности при затвердевании жидкости возникает ряд эффектов, усложняющих процесс сфероидизации: свободные колебания объема жидкости, различная скорость остывания жидкости на поверхности и в объеме и т. д. Во-вторых, сами процессы затвердевания и кристаллизации такой жидкости в невесомости также могут протекать по-иному. Прежде всего это касается конвекции, которая в земных условиях сглаживает колебания температуры в расплаве и способствует устойчивости процесса кристаллизации. В-третьих, в случае многокомпонентных сплавов отсутствие тяжести может повлиять на перераспределение компонентов внутри жидкости, а тем самым и на однородность образца.

Совокупность этих вопросов исследовалась в экспериментах на станции «Скайлэб», а также в эксперименте с прибором «Сфера» на станции «Салют-5». В первом из этих экспериментов заготовки из чистого никеля или его сплавов плавились под действием электронного пучка, а затем охлаждались, свободно плавая в вакуумной камере на борту станции «Скайлэб». Наземные исследования полученных образцов показали, что отклонение их формы от сферической составляет около 1 %, а образцы, приготовленные из сплавов, содержат внутренние поры. Цель другого эксперимента состояла в получении в невесомости материалов с однородной пористостью путем переплава серебряных сеток. Таких материалов американским ученым получить не удалось, зато при переплавке в ампулах тонких серебряных сеток наблюдалась сфероидизация жидких капель серебра. Наземные исследования той части затвердевших капель, которые не имели при остывании контактов со стенками ампулы, показали, что их форма далека от совершенства. Поверхность образцов покрыта сеткой желобков, а в их объеме имеются усадочные раковины . Внутренняя структура образцов носила ячеистый характер. Можно предполагать, что именно ячеистое затвердевание и образование раковин помешали образованию более правильных сфер в условиях, близких к невесомости.

С целью получения новой информации о процессах, сопровождающих бесконтейнерное затвердевание жидкого металла на станции «Салют-5», был поставлен эксперимент с прибором «Сфера». В качестве исследуемого вещества был выбран эвтектический сплав Вуда, обладающий минимальной температурой плавления (около 70 °C) и позволяющий поэтому свести к минимуму потребление электроэнергии (10 Вт). Химический состав исследованного сплава (по весу): висмут - 40, свинец - 40, кадмий - 10, олово - 10 %. Прибор «Сфера» представлял собой электрический нагреватель, внутри которого расплавлялась исследуемая заготовка массой 0,25 г, которая затем с помощью штока выталкивалась в лавсановый мешок. Внутри этого мешка отливка охлаждалась и затвердевала, не приходя в соприкосновение со стенками. Время, в течение которого заготовка, помещенная в нагреватель, разогревалась до температуры плавления, составляло на Земле 30 с. В невесомости контакт между заготовкой и стенками нагревателя должен ухудшаться, поэтому время разогрева образца было увеличено до 2 мин.

Доставленный после завершения экспериментов на Землю образец имел эллипсоидальную форму, а его поверхность была покрыта хаотически расположенными волокнами (по свидетельству космонавта В. М. Жолобова, образец имел вид ежа). Как показал анализ, внутренняя структура образца вследствие переплава в космосе также сильно изменилась: нарушилось равномерное распределение компонентов сплава по объему, образовались различающиеся по химическому составу иглообразные кристаллики и т. д. Вероятная причина этих изменений состоит, видимо, в особенностях теплового режима расплава при его затвердевании в условиях бесконтейнерного удержания. Попытки подобрать в лабораторных условиях такой тепловой режим обработки заготовки из сплава Вуда, который привел бы к сходной структуре отливки, не дали положительного результата, очевидно, потому что на Земле невозможно воспроизвести бесконтейнерное удержание образца.

Таким образом, выполненные к настоящему времени исследования в области физических основ космического производства, включая опыты, проведенные на различных космических аппаратах, подтвердили правильность общих представлений об особенностях физических процессов в невесомости и дали непосредственные экспериментальные доказательства возможности получения в космосе материалов с улучшенными характеристиками. Вместе с тем эксперименты показали недостаточность существующих количественных теорий этих процессов и выявили необходимость проведения специальных исследований, направленных на развитие теоретических основ производства в космосе новых материалов.

Космическая металлургия

Металлургия имеет дело с получением металлов и с процессами, сообщающими металлическим сплавам необходимые свойства путем изменения их состава и структуры. К металлургии относятся процессы очистки металлов от нежелательных примесей, производство металлов и сплавов, термическая обработка металлов, литье, нанесение покрытий на поверхность изделий и т. д. Большинство этих процессов включает с себя фазовые переходы к жидкому или газообразному состояниям, для которых влияние величины массовых сил на состав и структуру конечного материала может быть значительным. Поэтому перенос металлургических процессов в космос открывает принципиальные возможности производства материалов с улучшенными характеристиками, а также материалов, которые на Земле получить нельзя.

Металлургические процессы в космических условиях могут быть использованы для решения следующих задач.

1. Приготовление сплавов, в которых нет сегрегации , обусловленной силой Архимеда (получение композиционных материалов, сплавов высокой однородности и чистоты, пенометаллов).

2. Приготовление сплавов в отсутствие конвекционных токов (бездефектные монокристаллы, улучшенные эвтектики и магнитные материалы).

3. Безгравитационное литье (приготовление пленок, проволоки, литых изделий сложной формы).

4. Бестигельная плавка металлов и сплавов (очистка металлов и сплавов, их однородное затвердевание).

5. Разработка методов получения неразъемных соединений на космических аппаратах (сварка, пайка и т. д.).

Рассмотрим коротко состояние исследований, направленных на получение в космосе материалов металлургическими методами.

Бездефектные кристаллы и сплавы. Для производства сплавов исходные компоненты могут быть приготовлены как в жидкой, так и в газообразной (паровой) фазе с последующей кристаллизацией. В невесомости из-за отсутствия разделения фаз можно задавать произвольные комбинации компонентов в любых состояниях. Можно, в частности, получить прямой переход из паровой фазы к твердому телу, минуя расплав. Материалы, полученные при испарении и конденсации, обладают более тонкой структурой, которую обычно трудно получить при процессах плавления и затвердевания (плавку в космических условиях можно рассматривать как способ очистки). При этом в расплаве возможны следующие эффекты: испарение более летучего компонента, разрушение химических соединений (окислы, нитриды и т. п.).

Важнейший процесс получения сплавов - затвердевание. Этот процесс существенно влияет на структуру металла. При затвердевании могут возникать различные дефекты в структуре металла: неоднородность сплава по химическому составу, пористость и т. д. Присутствие в расплаве перепадов температуры и концентрации может приводить к возникновению конвекции. Если расплав затвердевает в условиях колебаний температуры, то возникают локальные колебания скорости роста кристалла, что может привести к такому дефекту, как полосчатость структуры кристалла. Для преодоления этого дефекта структуры необходимы меры по уменьшению конвекции.

В космических условиях открываются возможности приготовления однородных смесей, состоящих из компонентов с разной плотностью и с различными температурами плавления. На Земле такие смеси не могут быть устойчивы из-за силы Архимеда. Особый класс сплавов такого типа - это магнитные материалы, в том числе новые сверхпроводники.

Ранее отмечалось, что одно из преимуществ метода зонной плавки в космических условиях состоит в том, что можно получать монокристаллы более крупных размеров, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести позволяет также по-новому организовать процессы направленной кристаллизации. Таким путем могут быть получены нитевидные кристаллы большой длины («усы», или «уискеры») с повышенной прочностью.

Рассмотрим эксперименты, в которых исследовались практические возможности космической металлургии. Так, в эксперименте на станции «Скайлэб» были получены сплавы из компонентов, которые плохо смешиваются в земных условиях. В трех ампулах были размещены заготовки из сплавов золото-германий, свинец-цинк-сурьма, свинец-олово-индий. В космических условиях образцы подвергались переплавке несколько часов, выдерживались при температуре выше точки плавления, а затем охлаждались. Доставленные на Землю образцы обладают уникальными свойствами: однородность материалов оказалась выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле, а сплав золота с германием оказался сверхпроводящим при температуре около 1,5 К. Аналогические смеси, полученные из расплава на Земле, этим свойством не обладают, видимо, из-за отсутствия однородности.

В рамках советско-американской программы ЭПАС был проведен такой эксперимент, целью которого было исследование возможности получать магнитные материалы с улучшенными характеристиками. Для исследований были выбраны сплавы марганец-висмут и медь- кобальт-церий. В рабочей зоне электронагревной печи поддерживалась максимальная температура 1075 °C в течение 0,75 ч, а затем в течение 10,5 ч печь остывала. Затвердевание происходило в период сна космонавтов, чтобы снизить нежелательное воздействие вибраций при их перемещениях внутри станции. Наиболее важный результат этого эксперимента состоит в том, что у образцов первого типа, затвердевших на борту космического корабля, величина коэрцитивной силы на 60 % выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле.

Композиционные материалы. Композиционными материалами, или композитами, называют искусственно созданные материалы, которые состоят из основного связующего материала и прочного армирующего наполнителя. В качестве примеров можно привести комбинацию алюминия (связующий материал) со сталью, приготовленной в виде нитей (армирующий материал). Сюда же относятся и пенометаллы, т. е. металлы, в объеме которых содержится большое количество равномерно распределенных газовых пузырьков. По сравнению с образующими их компонентами композиционные материалы обладают новыми свойствами - повышенной прочностью при меньшем удельном весе. Попытка получить в наземных условиях композиты с основой, находящейся в жидком состоянии, приводит к расслоению материала. Приготовление композитов в космических условиях может обеспечить более однородное распределение армирующего наполнителя.

На станции «Скайлэб» был также поставлен эксперимент, цель которого состояла в получении композиционных материалов, армированных «усами» из карбида кремния (удельный вес 3,1). В качестве основного (матричного) материала было выбрано серебро (удельный вес 9,4). Композиционные материалы с металлической основой, армированные «усами», представляют практический интерес ввиду их высокой прочности. Техника их получения основана на последовательных процессах перемешивания, прессовки и спекания.

При проведении космического эксперимента размеры частиц серебряного порошка составляли ~ 0,5 мм, диаметр «усов» из карбида кремния ~ 0,1 мкм и средняя длина ~ 10 мкм. В кварцевой трубке, в которой размещался образец, имелся поршень из графита и кварца с пружиной для сжатия образца после расплавления, чтобы выдавливать из расплава пустоты. Исследование доставленных из космоса композиционных материалов показало, что по сравнению с контрольными образцами они обладают значительно более однородной структурой и более высокой твердостью. В случае материалов, полученных на Земле, четко видно структурное расслоение, происходит всплывание «усов» вверх.

Эвтектики. Эвтектика - это тонкая смесь твердых веществ, кристаллизация которых происходит одновременно при температуре ниже температуры плавления любого из компонентов или любых других смесей этих компонентов. Температура, при которой происходит кристаллизация такого расплава, называется эвтектической. Сплавы этого типа часто образуются из компонентов, сильно отличающихся друг от друга (например, в состав эвтектического сплава Вуда входят висмут, свинец, олово, кадмий). Эвтектические материалы широко применяются в науке и технике: их используют для изготовления лопаток газовых турбин, в качестве сверхпроводящих и специальных оптических материалов.

Для приготовления эвтектик обычно используют метод направленного затвердевания, т. е. затвердевания в одном заданном направлении. Применение этого метода в космических условиях представляет несомненный интерес, потому что из-за отсутствия конвекции можно улучшить однородность материала, а исключая контакт расплава со стенками, можно получать свободные от окислов материалы, которые будут обладать полезными оптическими свойствами.

Разновидностью эвтектик являются двухфазные системы типа «усов». Это игольчатые монокристаллы с весьма совершенной структурой, прочность которых благодаря отсутствию посторонних включений приближается к теоретически возможной. В невесомости такие материалы можно выращивать и внедрять в жидкий металл методами композиционного литья. Еще одна разновидность эвтектик - тонкие эпитаксиальные пленки. Такие пленки находят широкое применение при изготовлении транзисторов путем нанесения материала на твердую основу - подложку из жидкой или паровой фазы. Проявление конвекции в жидкости или в газе ведет к искажению решетки эпитаксиальных пленок, к появлению в них нежелательных включений и других дефектов структуры.

В космических условиях поставлен ряд экспериментов по исследованию эвтектических сплавов. Например, в одном эксперименте на станции «Скайлэб» исследовалось влияние невесомости на структуру сплава медь- алюминий при направленном затвердевании. В доставленных из космоса образцах количество дефектов уменьшилось на 12–20 %. В другом эксперименте на станции «Скайлэб» и МА 131 при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» исследовалось получение двухфазных эвтектик галогенидов (NaCl-NaF в первом случае и NaCl-LiF - во втором). При затвердевании такой эвтектики одна из фаз (NaF или LiF) может образовать нити, внедренные в другую фазу как в матричный материал.

Подобные эвтектики могут найти применение в качестве волоконных световодов для инфракрасной области спектра. Нитеподобные эвтектики, произведенные на Земле, обладают большим количеством дефектов, возникновение которых связано с колебательными конвекционными движениями в жидкости. Структура эвтектик галогенидов, полученных в космосе, оказалась более совершенной, что привело к улучшению их технических характеристик. Так, коэффициент пропускания света для образца первого типа возрос в 40 раз, а второго типа - в 2 раза по сравнению с аналогичными образцами, выращенными на Земле.

Технология получения неразъемных соединений. Как отмечалось выше, первые в мире работы в этой области выполнены в Советском Союзе в 1969 г. на космическом корабле «Союз-6». На советской космической станции «Салют-5» космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов продолжили исследования в этом направлении, успешно осуществив опыты по пайке металлов с помощью прибора «Реакция». Прибор «Реакция» (см. рис. 6) и размещаемый в нем экзоконтейнер по конструкции не были герметичны, и поэтому для имитации условий пайки в космическом пространстве из герметизированной области между муфтой и трубкой был заблаговременно откачан воздух (см. рис. 9). Трубка и муфта были изготовлены из нержавеющей стали, а для создания между ними капиллярных зазоров на поверхности трубки сделана накатка глубиной 0,25 мм. В качестве припоя был выбран высокотемпературный марганец-никелевый припой (температура пайки 1200–1220 °C), который характеризуется высокими механическими свойствами и хорошей коррозионной стойкостью.

Наземные металлографические исследования и испытания швов (на вакуумную плотность, на механическую прочность на разрывной машине с внутренним давлением до 500 атм) показали, что полученные в космосе паяные соединения по качеству не уступают полученным в земных условиях, а по ряду показателей превосходят их. В частности, наблюдается равномерное заполнение зазоров припоем, более однородна микроструктура металла (см. рис. 10).

Результаты испытаний на борту космических аппаратов различных методов сварки и пайки подтверждают, что при выполнении на перспективных космических объектах монтажно-сборочных работ эти методы получения неразъемных соединений найдут широкое применение.

Полупроводниковые материалы

Полупроводники - вещества, которые обладают электронной проводимостью, а по величине электропроводности занимают промежуточное положение между хорошими проводниками (металлы) и изоляторами (диэлектрики). Типичными полупроводниками являются, например, германий и кремний. Величина электропроводности полупроводников сильно зависит от температуры. Под действием света электропроводность некоторых полупроводников повышается; такие материалы иногда называются фотопроводниками. Свойства полупроводников очень чувствительны также к совершенству их кристаллической решетки и к наличию примесей. В некоторых случаях присутствие примеси в самой малой концентрации (например, 10 –6 или 10 –7) оказывается решающим фактором, который определяет электрические свойства полупроводника . Эти уникальные качества полупроводниковых материалов обеспечили самое широкое их использование практически во всех областях науки и техники.

Производство полупроводниковых материалов в космосе может дать заметные преимущества по нескольким причинам. Во-первых, свойства этих материалов сильно зависят от технологии их приготовления, причем многие нежелательные эффекты вызваны проявлением силы веса (конвекция в расплаве, расслоение компонентов разной плотности и т. п.). Во-вторых, в космических условиях может быть значительно повышена однородность распределения легирующей примеси в полупроводнике.

Перейдем к рассмотрению конкретных технологических экспериментов, направленных на реализацию указанных преимуществ производства в космосе полупроводниковых материалов.

Выращивание монокристаллов из расплавов. Дефекты полупроводниковых монокристаллов при их выращивании из расплава возникают из-за появления в расплаве конвекционных течений разного типа, а также из-за поступления в него нежелательных примесей. Для выращивания монокристалла из расплава необходим перепад температуры, а при этом на Земле часто возникает термическая конвекция. Конвекционные течения ведут к появлению местных пульсаций температуры в жидкости, а за счет того, что растворимость примеси в расплаве зависит от температуры, - и к неоднородному распределению примеси в растущем кристалле. Это явление, обусловленное конвекцией, называется полосчатостью, или микросегрегацией. Полосчатость является одним из дефектов структуры полупроводниковых монокристаллов. Благодаря возможности уменьшить роль конвекции в космосе ожидают, что монокристаллы, выращиваемые на борту КА, будут обладать более однородной структурой.

Для оценки влияния конвекционных течений на явление сегрегации на примере монокристаллов германия, легированного примесями, на станции «Скайлэб» был поставлен такой эксперимент. Установленные в ампулах кристаллы размещались в электронагревательной печи, где они сначала частично расплавлялись, а затем в условиях почти постоянного перепада температур остывали и закристаллизовывались. В качестве легирующих примесей в разных ампулах использовались галлий, сурьма и бор. Сравнение с контрольными образцами, полученными тем же способом на Земле, показало, что сегрегация примесей в кристаллах германия, доставленных из космоса, оказалась в несколько раз меньше. В случае германия, легированного галлием, исследована также относительная однородность удельного сопротивления материала по длине образца. Для земных образцов она составляла ? ?/? ? 6,4 · 10 –2 , а для космических - 0,8 · 10 –2 .

Процесс кристаллизации германия, легированного галлием, исследовался также при запуске советской высотной ракеты в декабре 1976 г. В этом эксперименте для разогрева образцов использовался экзотермический источник тепла. Исследование ампул, доставленных на Землю, показало, что фронт плавления имел достаточно плоскую форму. Этот результат подтвердил перспективность использования приборов подобного типа в. экспериментах по получению полупроводниковых материалов.

В других экспериментах на станции «Скайлэб» были получены монокристаллы антимонида индия. В первом из них стержень из антимонида индия устанавливался внутри графитовой капсулы таким образом, чтобы его свободный конец оказывался в полой полусфере. Цель эксперимента - попытка получить кристаллы сферической формы. Однако из-за того, что расплав частично прилип к графитовой стенке полости, форма полученных кристаллов оказалась не сферической, а каплеобразной. Однако структура кристаллов стала более совершенной: плотность дислокаций уменьшилась в 5 - 10 раз, а примесь (селен) была распределена более равномерно, чем в контрольных образцах, полученных на Земле.

Другой эксперимент заключался в переплавке и последующем затвердевании образцов антимонида индия, находящихся в трех запаянных ампулах: в одной - чистый антимонид индия, в другой - легированный теллуром, в третьей - легированный оловом. Исследования полученных кристаллов также показали их высокую однородность.

В ряде экспериментов исследовалась возможность получения из расплавов полупроводниковых материалов состоящих из сильно различающихся по удельному весу компонентов. Например, в одном эксперименте, выполнявшемся при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон», исследовалось влияние невесомости на направленное затвердевание полупроводниковых материалов. Использовались пары свинец-цинк и сурьма-алюминий. Космические образцы сплава сурьма-алюминий оказались более однородными по сравнению с земными. В случае сплава свинец-цинк полной однородности достигнуть не удалось.

Выращивание монокристаллов из растворов. Если в пересыщенный раствор нужного вещества ввести затравочный кристаллик, то на нем будет происходить рост кристалла в условиях постоянной температуры. Таким методом выращивают кристаллы, находящие применение в качестве детекторов звуковых волн, в оптике и т. д. Растущий кристалл чутко реагирует на любые изменения условий роста: колебания температуры и концентрации, возникновение конвекционных течений, наличие инородных примесей и т. п. Изменение условий возбуждения конвекционных течений в растворе, иное поведение примесей в невесомости будут влиять на особенности роста кристаллов на борту космических аппаратов.

Результаты экспериментального исследования особенностей выращивания кристаллов алюмокалиевых квасцов из их пересыщенного водного раствора, которое было проведено на станции «Салют-5», изложены в предыдущей главе.

Выращивание кристаллов из паровой фазы. Выращивание кристаллов парофазовым методом широко используется для получения зпитаксиальных пленок полупроводниковых материалов. Принципиальная схема устройства для выращивания кристаллов из паровой фазы была показана на рис. 5. В обычных условиях метод чувствителен к возбуждению конвекции, которая ведет к возникновению дефектов кристаллической решетки. Кроме того, существует тенденция к поликристаллизации, большие кристаллы этим (методом на Земле получать трудно. В космических условиях можно рассчитывать на ограничение роли конвекции и улучшение качества получаемых материалов, а также на увеличение размеров монокристаллов.

Ожидаемые эффекты были также исследованы в эксперименте на станции «Скайлэб». Техника выращивания кристаллов из паровой фазы была применена к селениду и теллуриду германия. Были получены кристаллы, качество которых оказалось выше, чем у контрольных образцов, приготовленных на Земле. Удалось получить плоские монокристаллы селенида германия размером 4 x 17 мм и толщиной около 0,1 мм. На Земле были получены лишь мелкие кристаллики с несовершенной структурой.

С учетом этих результатов при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» был поставлен такой эксперимент. Здесь техника выращивания кристаллов из паровой фазы была применена к более сложным системам: германий-селен-теллур и германий-сера-селен. Образцы, полученные в космических условиях, также оказались более совершенными, а их структура более однородной.

Оптическое стекло и керамика

Влияние условий, близких к невесомости, на технологию производства стекла может быть различным. Во-первых, в невесомости можно осуществить бесконтейнерное плавление, резко уменьшив таким образом поступление в материал вредных примесей со стенок тигля, в котором варится стекло. Во-вторых, можно обеспечить стабильность жидких смесей, компоненты которых сильно различаются по плотности. В-третьих, отсутствие свободной конвекции уменьшает вероятность появления случайных центров кристаллизации, способствует улучшению однородности. В-четвертых, преобладающую роль капиллярных сил можно использовать для того, чтобы придать жидкому расплаву перед затвердеванием необходимую форму (волокна, пленки и т. п.). Использование перечисленных факторов позволяет рассчитывать на (получение в процессе космического производства улучшенных или качественно новых сортов стекол, а также изделий из стекла.

На рис. 12 показано, как меняется с температурой объем расплавленной стеклообразующей массы. Когда по мере остывания расплава достигается температура затвердевания Т m , дальнейший процесс может развиваться двояко. Если в расплаве присутствуют зародыши (примеси, поступающие со стенок тигля, местные неоднородности по химическому составу и т. п.), то в объеме может начаться кристаллизация и объем будет уменьшаться в соответствии с нижней кривой. Если же образование зародышей кристаллизации удается подавить, а скорость охлаждения сделать достаточно большой, то возникнет сначала состояние переохлажденной жидкости, которая при достижении температуры стеклования Т g переходит в стекло (верхняя кривая на рис. 12). В космосе возможен процесс бестигельной варки стекла, и однородность расплава будет выше ввиду отсутствия конвекции. Эти преимущества открывают возможности получения на борту космических аппаратов улучшенных и новых сортов оптического стекла.

Рис. 12. Изменение объема жидкости с температурой в процессе варки стекла (Т m - температура кристаллизации; Т g - температура стеклования. 1 - расплав; 2 - переохлажденная жидкость; 3 - стекло; 4 - кристалл)

Вместе с тем для успешного развития производства-стекла в космических условиях, по-видимому, придется преодолеть ряд технических трудностей: удаление нежелательных газовых пузырьков из стеклообразной массы в отсутствие плавучести, обеспечение заданного темпа охлаждения без естественной конвекции, контроль температурного режима охлаждения и допустимого уровня случайных ускорений в условиях бесконтейнерного удержания стеклообразной массы.

Все сказанное об особенностях производства стекла в космических условиях относится также и к получению керамики.

Рассмотрим кратко некоторые перспективные направления космического производства стекла и керамики. Цель этих исследований состоит в том, чтобы изучить возможности получения стекол с улучшенными оптическими характеристиками, с высокой температурой плавления, поглощающих и отражающих тепло, для изготовления твердотельных лазеров , устойчивых по отношению к химически активным средам и сохраняющих свои свойства в течение длительных отрезков времени, полупроводниковых стекол с «памятью» для интегральных схем .

Космическое производство этих стекол может дать ряд преимуществ. Стекла с полупроводниковыми свойствами, например, обладают высоким коэффициентом преломления в инфракрасной области. При выплавке их на Земле трудно обеспечить достаточную оптическую однородность. Другой пример - производство стекол для твердотельных лазеров, содержащих примеси с высокой концентрацией (неодим, иттербий и др.). В космосе можно повысить однородность распределения примеси и одновременно снизить поступление вредных загрязнений со стенок контейнера.

Благодаря отсутствию силы Архимеда и преобладающей роли капиллярных сил в условиях, близких к невесомости, бесконтейнерным методом можно производить изделия из стекла, состоящие из разнородных исходных материалов и обладающие высоким совершенством поверхности. В качестве примера приведем твердые фильтры, которые представляют собой взвесь малых прозрачных частиц внутри прозрачного материала, подобранные таким образом, чтобы показатели преломления этих частиц и материала совпадали лишь для одной длины волны. В результате световое излучение лишь этой длины волны будет проходить сквозь фильтр без потерь, а для всех других длин волн будет происходить сильное рассеивание и поглощение света за счет многократных отражений между частицами. В невесомости можно добиться высокой однородности распределения частиц в основном материале.

Бесконтейнерное производство стекла в космических условиях может привести к уменьшению относительного числа некоторых наиболее типичных дефектов. К таким дефектам относятся:

1) кристаллы, т. е. включения, выделяющиеся из самого стекла в процессе затвердевания;

2) инородные включения (бесконтейнерное стеклование в состоянии резко снизить их концентрацию);

3) свили, т. е. прослойки одного стекла в другом, обладающем иным химическим составом (источником свилей также в значительной степени служит поступление загрязнений со стенок тигля);

4) пузыри, т. е. газовые включения, для их устранения в условиях, близких к невесомости, жидкую стеклообразную массу, возможно, придется подвергать специальной обработке (вращение, вибрация и т. п.).

Существенного улучшения материала можно ожидать также и в случае производства в космосе волоконных световодов. Такой световод обычно представляет собой стержень из стекла с высоким коэффициентом преломления, окруженный стеклянной оболочкой с более низким коэффициентом преломления. Большое различие между этими коэффициентами обеспечивает малое поглощение и высокий коэффициент пропускания по светопроводу.

Качество светопровода зависит от точности соотношений между диаметрами стержня и оболочки, а также между их показателями преломления. Если на границе раздела стержня и оболочки имеются неоднородности размером не меньше длины волны света (разница диаметров, дефекты структуры стекла, неоднородность показателей преломления и т. д.), то на них световая энергия будет частично рассеиваться и поглощаться. На величину поглощения сильно влияет также загрязнение стекла (тяжелыми ионами, парами воды и т. п.) В космических условиях возможно усовершенствование технологии производства волоконных световодов за счет удаления нежелательных примесей при бесконтейнерной плавке, выравнивания диаметров за счет преобладающей роли сил поверхностного натяжения в расплаве.

В качестве примера перспективных керамических материалов, производство которых в космосе может оказаться выгодным, приведем эвтектики, затвердевающие в одном направлении. Этим методом в керамическую основу могут быть внедрены металлические нити.

Высказываются также предложения о производстве в космосе еще одного типа керамических материалов - композиционных микросхем. Эти керамики состоят из стеклообразной массы, включающей взвешенные частицы, которые определяют электронные характеристики материалов. В условиях невесомости можно рассчитывать на повышение их однородности.

Ввиду сложности технологии получения стекла экспериментальные исследования на космических аппаратах в этом направлении сильно отстали от работ в других областях космического производства. В марте и декабре 1976 г. при запуске в СССР высотных ракет были впервые осуществлены эксперименты по плавке стекла. С использованием экзотермических источников энергии исследовались процессы плавления и стеклообразования в условиях, близких к невесомости, на примере стекла с наполнителем (стекло с алюминием), а также особо прочного фосфатного стекла. Доставленный из космоса образец фосфатного стекла частично состоит из зон с газовыми включениями, а частично - из зоны однородного материала. У полученного сплава алюминий-стекло отмечены полупроводниковые свойства.

Медико-биологические препараты

Одна из важных задач, связанных с производством медико-биологических препаратов (вакцин, ферментов, гормонов и т. п.), состоит в их очистке. Известно, например, что повышение чистоты используемых вакцин уменьшает при их употреблении вероятность проявления вредных побочных эффектов, а это, в свою очередь, позволяет повысить дозировку и поднять эффективность лечебного препарата.

Один из наиболее распространенных способов очистки и разделения клеточного биологического материала основан на использовании электрофореза. Это явление наблюдается в дисперсных системах, т. е. таких системах, которые состоят из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними, причем одна из фаз (дисперсная фаза) распределена в виде мелких частиц - капелек, пузырьков и т. п. - в другой фазе (дисперсионная среда). К числу дисперсных систем относятся биологические вещества. Если к такой среде приложить внешнее электрическое поле, то под его влиянием дисперсные частицы, взвешенные в жидкости, начинают двигаться. В этом и состоит явление электрофореза.

Взвешенные в жидкой среде дисперсные частицы приходят под действием электрического поля в движение, потому что они обладают электрическим зарядом. Поскольку разные органические молекулы обладают разным электрическим зарядом, скорость, которую они приобретают в электрическом поле, различна. На этом различии скоростей и основан метод электрофоретического выделения из дисперсной среды необходимых фракций и очистки биологических материалов. Схема экспериментальной установки, построенной на основании этих принципов, показана на рис. 13.

Рис. 13. Электрофорез в свободном потоке жидкости (1 - подача раствора; 2 - отбор фракций). Разделение фракций осуществляется в направлении, перпендикулярном течению раствора между электродами

В земных условиях использование метода электрофореза для разделения компонентов жидкости сталкивается с несколькими трудностями. Во-первых, наблюдается частичное перекрытие фракций, вызванное свободной конвекцией, а также термической конвекцией, обусловленной возникновением дополнительных перепадов температуры и плотности раствора за счет его нагрева при прохождении электрического тока. По этой причине величину тока, который можно пропустить через раствор, сильно ограничивают, чтобы не допустить нежелательного перегрева жидкости. А это означает, что производительность установки по разделению биологических материалов сравнительно невысока. Кроме того, из-за различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды под действием силы Архимеда возможно их разделение.

В космических условиях эти трудности можно преодолеть. Прежде всего это касается возможности ограничить роль конвекции и, следовательно, улучшить степень очистки и повысить производительность установок. Другое возможное преимущество электрофоретического метода в условиях невесомости связано с отсутствием влияния плотности на разделение фаз. В земных условиях ют плотности зависит вязкость, величину которой можно менять, добавляя в раствор большое количество малых молекул или малое количество больших молекул. В невесомости этот способ управления вязкостью раствора становится особенно удобным из-за отсутствия силы Архимеда. В результате открывается возможность управлять вязкостью среды как независимым параметрам, который не связан с плотностью. Реализовать эту возможность на Земле, разумеется, нельзя.

С целью непосредственной проверки этих выводов в космических условиях западногерманскими и американскими учеными был поставлен ряд экспериментов, выполненных на станции «Скайлэб» и при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». В эксперименте на «Скайлэб» был испытан прибор, в котором невозмущенный поток жидкости протекал между двумя пластинами, к которым было приложено электрическое поле. Частицы вводились в раствор на одном конце прибора и удалялись через отверстия, расположенные на другом его конце. В земных условиях из-за перемешивающих конвекционных потоков расстояние между пластинами не удавалось сделать больше 1–2 мм. В космических условиях его удалось увеличить до 5 - 10 мм. Этот результат подтвердил возможность повысить производительность прибора и улучшить его разрешающую способность.

В эксперименте прибор сходного типа был применен для разделения клеток крови и исследования ограничений, накладываемых конвекцией и осаждением частиц. Благодаря уменьшению влияния конвекции удалось увеличить глубину камеры и в результате повысить в 6,5 раза производительность установки. Разрешающая способность по сравнению с опытами, проводившимися на Земле, возросла в 1,5 раза.

В другом эксперименте также исследовалась возможность получения чистых биологических препаратов в условиях подавленной конвекции на примере клеток крови и почек, в частности, была поставлена задача выделить в чистом виде урокеназу. Урокеназа - это единственный фермент, вырабатываемый в человеческом организме, который способен растворять образовавшиеся тромбы. Если удастся выделить фермент урокеназу в чистом виде и выяснить процесс его выработки почечными клетками, то появится возможность его производства в достаточных количествах и на Земле. Урокеназа - эффективное средство борьбы с тромбофлебитом и такими сердечно-сосудистыми заболеваниями, как инфаркт, инсульт и т. д. Согласно имеющимся сообщениям данный эксперимент также выполнен успешно. В целом, однако, в области электрофореза сделано пока значительно меньше, чем в других направлениях исследований по космической технологии.

Комплексные технологические эксперименты

Для всестороннего исследования особенностей, возникающих при протекании физических процессов в невесомости, а также для выявления относительной перспективности (для космического производства) конкретных технологических процессов необходимо перейти к проведению массовых экспериментальных исследований на космических аппаратах различного типа. Современное состояние исследований и разработок в области космического производства, ведущихся в Советском Союзе, характеризуется именно переходом к этому этапу.

Советская программа космических исследований в области технологии и производства предусматривает проведение подобных комплексных экспериментов, и это явится новым этапом исследований и разработок советских ученых в данной области и, в свою очередь, обусловливается успехами, достигнутыми на предшествующем этапе. В частности, обширный комплекс технологических экспериментов самого массового характера был осуществлен совсем недавно при запусках высотных ракет и во время полета орбитальной космической станции «Салют-6» с космонавтами на борту. Проводимые в рамках единой исследовательской программы, эти эксперименты взаимно дополняли друг друга.

27 декабря 1977 г. в Советском Союзе был осуществлен запуск высотной ракеты, который позволил выполнить одновременно несколько десятков разноплановых технологических экспериментов. Для их проведения был разработан специальный комплект технологических приборов - СКАТ, в которых для нагрева и плавления исследуемых веществ использовалось тепло экзотермических химических реакций. Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались вдоль оси нагревательных ячеек, имеющих цилиндрическую форму.

Продолжительность состояния невесомости в этом эксперименте составляла около 10 мин. Поэтому, для того чтобы обеспечить достаточно быстрое затвердевание расплавленных веществ перед тем, как состояние невесомости прекратится (при входе ракеты в плотные слои атмосферы), была применена специальная система теплосброса. Она работала по принципу «тепловой губки», основанному на отводе выделяющегося тепла в массивную алюминиевую обойму.

Полная масса комплекта приборов СКАТ (вместе с системой теплосброса) составляла 137 кг. В разных ампулах в зависимости от задачи эксперимента обеспечивалось получение различных температур. Диапазон максимальных температур, реализованных с помощью аппаратуры СКАТ, составлял 600 - 1700 °C.

Программа экспериментов, осуществленных с помощью комплекта СКАТ, включала в себя изучение широкого круга веществ: композиционные материалы, пенометаллы, специальные сплавы, полупроводники. В целях повышения достоверности результатов почти все эксперименты были продублированы.

Проведение технологических экспериментов комплексного характера было включено в программу работ, проводимых советскими космонавтами на орбитальном научно-исследовательском комплексе «Салют-6» - «Союз-27».

11 января 1978,г. к космонавтам Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко, прибывшим на станцию «Салют-6» на космическом корабле «Союз-26», присоединился экипаж корабля «Союз-27» - космонавты В. А. Джанибеков и О. Г. Макаров, которые впоследствии вернулись на Землю с помощью корабля «Союз-26». В спускаемом аппарате корабля «Союз-26» были доставлены на Землю материалы с результатами исследований и экспериментов во время полета орбитальной станции «Салют-6» в течение более трех месяцев.

22 января 1978 г. была осуществлена стыковка с пилотируемым научно-исследовательским комплексом «Салют-6» - «Союз-27» автоматического грузового транспортного корабля «Прогресс-1». Впервые в истории космонавтики с помощью автоматического корабля была осуществлена транспортная операция по доставке на пилотируемую орбитальную станцию оборудования, аппаратуры и материалов для обеспечения жизнедеятельности экипажа и проведения научных исследований и экспериментов, а также топлива для дозаправки двигательных установок.

С помощью «Прогресса-1» на станцию «Салют-6» было доставлено оборудование, предназначенное и для выполнения цикла технологических экспериментов. В него, в частности, входит установка «Сплав-01», которая состоит из электронагревной печи ампульного типа и небольшого компьютера, предназначенного для автоматического управления тепловым режимом. Внутренняя полость печи имеет три зоны: с высокой и низкой температурами, а между ними - с перепадом температур (максимальная температура около 1000 °C). Конструкция печи позволяет вести эксперименты одновременно с тремя ампулами, заполненными исследуемыми веществами.

Приступив к подготовке технологических экспериментов, Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко разместили печь в шлюзовой камере, имеющейся в рабочем отсеке станции «Салют-6», через которую экипаж выбрасывает бытовые отходы (у камеры имеется два люка - один ведет внутрь станции, другой - в окружающее космическое пространство). Затем космонавты через специальные герметические разъемы соединили шлюзовую камеру с пультом управления, установленным внутри станции. После этого был закрыт внутренний люк камеры и открыт наружный, так что печь оказалась в космическом вакууме. Такие условия работы печи были выбраны для того, чтобы обеспечить отвод от нее тепла путем излучения непосредственно в окружающее космическое пространство.

Завершив подготовку аппаратуры, 14 февраля 1978 г. космонавты Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко приступили к проведению первого технологического эксперимента. При этом станция была переведена в режим дрейфа (при котором отключаются двигатели системы ориентации) с целью уменьшения влияния малых ускорений на ход эксперимента. С той же целью значительная часть эксперимента проводилась во время сна космонавтов. Ампулы, установленные в электронагревную печь в первом технологическом эксперименте, содержали соединения медь-индий, алюминий-магний и антимонид индия.

16 и 17 февраля на станции «Салют-6» был проведен второй технологический эксперимент, который продолжался 31 ч и в котором исследовались реакции между твердым вольфрамом и расплавленным алюминием, а также процесс пропитки пористого молибдена жидким галлием. Как предполагают специалисты, последний материал может обладать сверхпроводящими свойствами.

Новый этап в развертывании программы технологических экспериментов на орбитальной станции «Салют-6» был связан с успешным полетом космического корабля «Союз-28», пилотируемого первым международным экипажем в составе летчика-космонавта СССР А. А. Губарева и космонавта-исследователя, гражданина ЧССР В. Ремека.

3 марта 1978 г. корабль «Союз-28» был состыкован с орбитальным комплексом «Салют-6» - «Союз-27». Космонавты А. А. Губарев и В. Ремек доставили на борт орбитального научно-исследовательского комплекса изготовленную в Институте физики твердого тела АН ЧССР капсулу, которая содержала две ампулы, заполненные образцами из хлоридов серебра и свинца и хлорида одновалентной меди. Эти вещества были выбраны потому, что они обладают ценными оптико-акустическими свойствами. Хлорид одновалентной меди является известным электрооптическим материалом, а хлорид серебра широко используется в аппаратуре для регистрации инфракрасного излучения. Совместный советско-чехословацкий эксперимент с этими веществами получил название «Морава».

Приступив 4 марта 1978 г. к осуществлению этого технологического эксперимента, космонавты разместили обе ампулы с исследуемыми веществами в электронагревной печи установки «Сплав-01», поместив их в зону с перепадом температуры. Максимальная рабочая температура печи в этом эксперименте составляла около 500 °C, а полная продолжительность процесса перекристаллизации образцов после того, как они были расплавлены, достигла приблизительно 40 ч. Такой режим проведения эксперимента был выбран в связи с тем, что для этого необходимо было обеспечить улучшение структуры исследуемых веществ по сравнению с контрольными образцами, полученными на такой же установке в земных условиях.

В процессе эксперимента космонавты контролировали работу компьютера установки «Сплав-01», который обеспечивал поддержание заданного температурного режима. После завершения эксперимента «Морава» капсула с исследуемыми веществами была упакована и доставлена А. А. Губаревым и В. Ремеком на Землю.

Проведение эксперимента «Морава» знаменует собой начало нового направления совместных космических исследований социалистических стран - участниц программы «Интеркосмос». К исследованиям в области космической физики, метеорологии, биологии, исследованиям природных ресурсов Земли добавляются теперь технологические эксперименты. В последующих полетах международных экипажей технологические эксперименты будут продолжены. В частности, программой «Интеркосмос» предусмотрены запуски в 1978 г. космических кораблей «Союз», в экипажи которых войдут представители Польской Народной Республики и Германской Демократической Республики. В рамках единой программы научных и технологических исследований и экспериментов на борту орбитального научного комплекса на базе станции «Салют-6» космонавтам из социалистических стран предстоит выполнение задач возрастающего объема и сложности.

Перспективы развития космического производства

Первые технологические эксперименты в космосе были выполнены всего лишь несколько лет назад. И хотя с тех пор прошло совсем немного времени, исследования и космические эксперименты, проведенные в СССР и за рубежом, позволили получить научные и технические результаты, на основании которых можно дать предварительную оценку перспектив производства в космосе новых материалов. Какие же основные выводы можно сделать, анализируя результаты экспериментов, выполненных к настоящему времени?

В целом подтверждены общие представления об особенностях физических процессов в невесомости, но одновременно выявлена недостаточность многих теоретических моделей и показана необходимость проведения специальных исследований, направленных на развитие теоретических основ космического производства. Экспериментально подтверждена возможность получения в космосе полупроводниковых монокристаллов, специальных сплавов, композиционных и других материалов с улучшенными характеристиками, а также таких веществ, получение которых на Земле невозможно. Непосредственно подтверждена возможность улучшить разрешающую способность и повысить производительность установок для электрофоретического разделения биологических препаратов.

Таковы наиболее общие итоги приблизительно 60 экспериментов, проведенных к настоящему времени на различных космических аппаратах в СССР и за рубежом. И хотя сделано уже немало, еще больше предстоит сделать, прежде чем космическое производство превратится в самостоятельную экономически эффективную отрасль народного хозяйства. Отметим наиболее важные задачи, которые необходимо решить для того, чтобы обеспечить достижение этой цели.

Во-первых, следует перейти от экспериментов, поставленных на сравнительно простых приборах, к широким экспериментальным исследованиям с использованием специализированных бортовых установок, в которых будут в полной мере учтены специфические особенности работы в космосе и которые позволят в максимальной степени использовать преимущества, связанные с этими особенностями. Задача создания подобных установок является одной из первоочередных. Во-вторых, необходимо провести всесторонние исследования влияния факторов космического полета - и в первую очередь невесомости - на закономерности физико-химических процессов в веществе с целью выявить оптимальные режимы технологических процессов получения новых материалов на борту космических аппаратов. В-третьих, следует обеспечить развитие теоретических основ космического производства, включая развитие методов численного моделирования процессов в веществе.

Конечная цель исследований в области космического производства состоит в его превращении в перспективную отрасль промышленности, обеспечивающую достаточно высокую технико-экономическую эффективность. Из-за высокой стоимости космических полетов выгодно производить в космосе лишь уникальные дорогостоящие продукты, годовая потребность в которых сравнительно невелика (килограммы или десятки килограммов в настоящее время, сотни или тысячи килограммов после создания эффективных многоразовых транспортных космических кораблей). Поэтому для правильного определения перспектив и путей дальнейшего развития работ в области космического производства большую роль играют исследования его технико-экономической эффективности.

Рассматривают возможность производства в космосе кристаллов граната, применяемых в элементах памяти ЭВМ, с целью улучшения их характеристик. Потребности в этих кристаллах в 80-е годы, согласно зарубежным данным, будут характеризоваться стоимостью более 1 млрд. долл. Если часть этих потребностей будет покрываться за счет космического производства, то это также даст ощутимую экономию средств. Если удастся организовать в космосе производство некоторых материалов, например, новых сверхпроводящих сплавов с повышенной критической температурой или оптического стекла для мощных лазеров, то это буквально революционизирует целые отрасли техники.

Особого внимания заслуживают исследования, направленные на организацию производства в космосе новых или улучшенных медико-биологических и фармацевтических препаратов. Успешные эксперименты по получению фермента урокеназы, проведенные вовремя полета кораблей «Союз» - «Аполлон», свидетельствуют, что в этом направлении можно ожидать новых важных результатов. Продолжение работы в этом важном направлении может дать ощутимый вклад в развитие здравоохранения и обеспечить значительный экономический эффект. Согласно оценкам зарубежных специалистов, к 2000 г. в космосе будет производиться в год до 30 т биологических препаратов (ферменты, вакцины и т. п.) общей стоимостью порядка 17 млрд. долл.

Успехи ракетно-космической техники вооружили человека новым фактором, который он может использовать в своей производственной деятельности - длительным состоянием невесомости. Можно ли сомневаться в том, что наши современники - ученые, инженеры, конструкторы, технологи - сумеют поставить и этот фактор на службу человечества? Весь опыт истории науки и техники свидетельствует о том, что это обязательно произойдет.

Не следует, однако, думать, что такой вывод автоматически открывает безоблачные перспективы перед грядущим развитием космического производства. Напротив, из него вытекает необходимость проведения более углубленных исследований по всей проблеме, выполняемых в рамках единой программы комплексного характера. Нет сомнений, что именно такой подход обеспечит быстрое развитие нового направления деятельности человека в космическом пространстве - производства в космосе новых материалов.

Литература

Гришин С. Д., Пименов Л. В. Путь к заводам на орбитах. - «Известия», 1976, 12 августа.

Авдуевкий В. С., Гришин С. Д., Пименов Л. В. К орбитальным заводам будущего. - «Правда», 1977, 20 февраля.

Беляков И. Т., Борисов Ю. Д. Технология в космосе. - «Машиностроение», 1974.

Невесомость. Физические явления и биологические эффекты. М., «Мир», 1964.

Хайкин С. Э . Силы инерции и невесомость. М., «Наука», 1967 (()

12

Интегральной схемой называется электронное устройство, элементы которого нераздельно связаны конструктивно и электрически соединены между собой.

В широком поясе околоземного пространства, на высоте от трехсот с лишним до 35 800 километров, где синхронно с нашей планетой вращаются стационарные ИСЗ, Национальное управление по аэро-навтике и исследованию космического пространства (НАСА) предвидит развитие промыш-ленности. Работая в этом без-воздушном пространстве в условиях полной невесомости, космические предприятия смогут производить новые материалы, стоимость которых на Земле исчисляется десятками тысяч долларов за килограмм. Электростанции со сложной системой солнечных батарей смогут превращать энергию Солнца в электрическую и передавать ее на Землю. Обслу-живать небесную промышлен-ность будут космопланы.
Тем временем представители земной промышленности реагируют на эти многообещаю-щие планы по-разному и, в целом, весьма сдержанно. С одной стороны, ведущие промышленные предприятия, заключившие с НАСА контракты на разработку космического оборудования и экспериментальных технологических процессов, полны энтузиазма, то-гда как другие промышлен-ные корпорации, мало осведомленные о новых начинаниях, относятся к ним скептичеки. Роберт А. Фрош, директор НАСА, заявил, что его задача — это «обеспечить доступ в космос и разработать основные технологические процессы, которым потенциальный потребитель должен дать оценку, прежде чем он решится на капиталовложение».
Самообслуживающаяся лаборатория на борту космоплана станет первым производственным предприятием в космосе. Члены экипажа, получив соответствующую подготовку, будут создавать металлические сплавы в электро-плавильных печах, одна из которых изображена у левой стены на рисунке. В рабочем помещении исследователи, снабженные ботинками на присосках, смогут передвигаться во весь рост.
В командный отсек они будут «проплывать» через смежный воздушный шлюз. Вдоль правой стенки лаборатории разместятся клетки для подопытных животных.

Иллюстрация Николаса Соловьева

Однако скептицизм заинте-ресованных в прибылях корпо-раций, может быть, слишком преувеличен. Дело в том, что НАСА в космосе — не новичок, и планы свои строит на ба-зе успешных экспериментов, проведенных в ходе предыдущих орбитальных полетов. Эксперименты эти, проведенные главным образом на борту космической станции «Скайлаб» и во время совместных полетов кораблей «Аполлон» и «Союз», доказали, что за пределами земного притяжения с физическими телами происходят удивительные вещи: кристаллы растут более равномерно, в некоторых случаях в десять раз превышая размером земные экземпляры; биологические соединения легче поддаются разделению и сортировке, что позволяет надеятся на возможность производства более чистых вакцин и новых фармацевтических препаратов. Кроме того, в ходе предыдущих полетов выяснилось, что в космосе возможна выработка новых типов стекла, разнообразных суперсплавов, а также целого ряда материалов различной плотности, обладающих свойствами, неведомыми на Земле. Некоторые ученые полагают, что рейсы космопланов положат начало новым изобретениям, которые по своему значению можно будет уподобить разработанному в XVII веке вакуумному насосу.
На данном этапе оценка этой еще не изведанной области возможна лишь в том случае, если несколько промышленных корпораций сделают шаг в космос, ибо ни одно промышленное предприятие не должно на фоне нынешнего технологического прогресса игнорировать новую эру больших перемен, на пороге которой мы стоим.
Преимущества космического производства легче всего пояснить земными недостатками, из которых главным является гравитация. Большинство твердых материалов проходит стадию размягчения или плавки в процессах их создания или обработки, и там, где существует гравитация, они должны удерживаться стенками того или иного вместилища — причины изъянов материала.
Более того, гравитация вызывает конвективные течения, которые проходят вдоль температурных градиентов в слоях жидкости. Конвективные течения, хаотические и изменчивые по своему характеру, часто приводят к неожиданным и нежелательным структурным и композиционным различиям в твердых материалах, скажем, к образованию мягких или разжиженных участков. Гравитация также разъединяет молекулы, оставляя полости, в которых собираются посторонние примеси. Если жидкость состоит из двух и более составных частей, гравитация способствует разъединению этих материалов, нарушая их однородность в твердом состоянии.
Это вредное воздействие гравитации мучило не одно поколение промышленников со времен отлития первых бронзовых статуй; из-за него металлы никогда не могли достичь той прочности и других характеристик, которыми их наделяет теория. Так, например, сталь могла бы быть в десять, а то и в сто раз крепче нынешней. Лопасти реактивного двигателя распадаются при температуре, которая значительно повысила бы его эффективность. Микро-проводники электронного кардиостимулятора или штифты для костной пластики (цена то-го и другого высока, не говоря уже о травме при их замене) изнашиваются скорее, чем им теоретически положено.
В условиях космической невесомости большинство этих трудностей в процессах производства материалов отсутствует. Конечно, строго говоря, нулевой гравитации не существует, ибо каждая частица и каждый атом взаимно притягиваются. Однако на борту космоплана невесомость приблизится к этому недостижимому нулевому показателю: при спокойном режиме полета она будет равна одной миллионной доле земного притяжения, но когда астронавты включат вспомогательные ракеты для коррекции курса или, скажем, начнут передвигаться в своих снабженных присосками ботинках, невесомость повысится до одной тысячной земного тяготения, что ученые называют «микрогравиnацией». Одна фирма, производящая исследования для НАСА, укажет, что сила притяжения препятствует производству по меньшей мере четырехсот разных сплавов. Многие из них представляют комбинацию металлов, которые, подобно маслам и воде, в земных условиях не смешиваются. Зато в условиях невесомости они смешиваются до микромасштабов и, затвердев, обретают небывалую прочность и неведомые электрические, магнетические и другие физические свойства. Из этих металлических сплавов можно изготовлять прочные и легкие автомашины, почти невесомую мебель и т.д. Особенно большой интерес электроэнергетических фирм вызывают сверхпроводящие аллы, способные передавать электричество при низких температурах фактически без потери энергии.
Так, например, медь и свинец или свинец и алюминий, сплавленные в определенных пропорциях, проявляют свойства взаимосмазки, что, возможно, поможет конструкторам создать такой автомобильный двигатель, которого хватит на восемьсот или более тысяч километров пробега машины.
Многие из этих материалов можно производить лишь в космосе так называемым бесконтейнерным методом: жидкий металл затвердевает, ни с чем не соприкасаясь. Это возможно благодаря «всплыванию», что свойственно каждому предмету в космосе. Образец жидкости или твердого тела можно без особых усилий повесить» в нужное положение в акустическом, электромагнитном или электростатическом полях. Поскольку в космосе преобладают вторичные силы, как, например, поверхностное натяжение, то сплавленный материал автоматически приобретает форму сферы. Сфере можно придать нужную форму лишь незначимым воздействием на нее внешних сил. На Земле бесконтейнерный процесс далеко не пошел, ибо здесь он требует массивного воздействия внешних сил. В космосе же звуковыее волны обычного проигрывателя заставят воспарить стальной шарик.
Бесконтейнерный процесс может привести к улучшению микрокроструктуры вольфрама, одного из тугоплавких металлов (температура плавки 3410°С), который в расплавленном состоянии особенно под-вержен загрязнению. Посторонние примеси, образующиеся в тигеле, препятствуют производству чистого оптического стекла и повышают стоимость производства высококачественных стекловолокон, необходимых для новых линий связи, разрабатываемых Американской телефонно-телеграфной компанией и другими фирмами. Стекло космического производства, обладающее уникальной рефракцией и дисперсией, найдет себе широкое применение в лазерной технике и других оптических системах. «Список оптических приборов увеличится вдвое», — предсказывает Ральф Хаппе, специалист по производству стекла из фирмы «Рокуэлл интернэшонал корпорейшн».
Но, пожалуй, самые широкие перспективы в недалеком будущем открываются в космической промышленности перед кристаллами, ставшими неотъемлемой частью электроники и электронной оптики. В электронике используют свойство кристалла проводить электроны в строго определенных и полностью контролируемых условиях, в оптике — его прозрачность, с которой не сравнится даже самое высококочественное стекло, которое из-за своей аморфной структуры частично рассеивает свет.
Выращивание кристаллов на Земле в общем считается не наукой, а искусством. Специалисты, выращивающие наиболее крупные морковеобразные кристаллы, которые используются в изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем, величают себя «кри сталловодами», что, собственно, недалеко от истины. Хотя кристаллы и не живые существа, они в какой-то мере подобны растениям. Кристаллы требуют пищи и тянутся в сто-рону источника питания. И тут, как выразился один исследователь, «кристалловод добавляет чуть-чуть того, чуть-чуть другого — как по рецепту». Равномерное распределение всех этих важных примесей, наделяющих полупроводниковый кристалл необходимыми электронными свойствами, в земных условиях осуществить трудно вследствие конвективных течений, вызываемых гравитацией. В результате, земной «урожай» пригодных для полупроводников кристаллов невелик.
Об успехах выращивания кристаллов в космосе красноречиво свидетельствуют опыты, проведенные на борту орбитальной станции «Скайлаб». Опыты бали разработаны Гарри Гатосом, профессором Массачусетского технологического института, специализирующимся по сопротивлению материалов и инженерному проектированию. Астронавтам удалось получить образец кристалла индий-антимонид. Измеряя проводимость образца во всю его длину, Гатос установил, что электрические свойства кристалла были постоянны. В подобном же кристаллы, выращенном в земных условиях, свойства эти менялись от одного конца к другому. Во время совместного полета «Апполон - Союз» Гатосу удалось вырастить такой же идеальный образец кристалла германия. И хотя опыты эти, в силу обстоятельств, были весьма простыми, они, тем не менее, превзошли все ожидания.
Выращивание кристаллов в космосе возобновится с началом первых полетов космопланов-лабораторий. В доказательство приведен пример с гелием-арсенидом, который широко используется в производстве излучающих светодиодов, лазеров, микроволновых устройств и другой технической аппаратуры. Фунт (450 граммов) галлия-арсенида не очень высокого качества стоит в настоящее время 15000 долларов. В итоге, стоимость производства этого кристалла составляет небольшую долю его продажной цены. Кристаллы из космоса, дают значительно большее количество совершенных полупроводниковых интегральных микросхем и оправдывают, таким образом, высокую цену кристалла. Если же высокое качество кристаллов породит новую область их применения, то им буквально не будет цены.
Вероятно, прибыльным окажется ещё один продукт — крошечный шарик из весьма обычной пластмассы — полистирольного латекса. Шарики, диаметром менее двух микронов и более 40 микронов, можно сделать на Земле, но шарики промежуточных размеров получаются неустойчивыми и по сложным техническим причинам не поддаются массовому производству. А ученые крайне нуждаются в та-ких средних диаметрах. Если, например, шарики разных диаметров ввести в бактериальную культуру перед ее анализом под электронным микроскопом, то с их помощью ученые смогли бы произвести точные измерения многих объектов от вирусов до отверстий в диафрагмах. Кроме того, крошечные шарики можно будет использовать для градуировки самого электронного микроскопа и других приборов.
Космос таит в себе широ-кие возможности для дальнейшего прогресса биологии и медицины. Микрогравитация поможет ученым разделять определенные типы клеток, клеточные компоненты и продукты, а также протеины. Вакцины обретут недостижимую на Земле чистоту. Предыдущие полеты дали не только ценную информацию, но и урок на будущее; во время опыта с ДНК молок лосося в среду проникли бактерии и целиком уничтожили ее.
Все дело в том, что сотни биологических веществ на Земле не поддаются ни синтезированию, ни разделению в силу все тех же конвективных течений, которые дают неравномерные и непрогнозируемые композиции. Многие из этих комплексных биологических продуктов вырабатывает человеческий организм. Урокиназа, например, способствует активизации ферментов, рассасывающих сгустки крови, а в выработке этого ценного химического вещества участвует всего пять процентов печеночных клеток. Задание космических лабораторий — разделить эти клетки и затем, в целях размножения, культивировать их на Земле. Печеночные клетки, выделенные в полете «Аполлон—Союз», выработали урокиназы в семь раз больше обычного, но по непонятным причинам, которые ученым интересно выяснить, на Земле эти клетки выработку урокиназы прекратили.
Вырабатываемые организмом гормоны и другие вещества, как, например, ативирусный агент интерферон или эндорфины — болеутоляющие агенты головного мозга, можно также получать в чистом виде в космосе. Следующим кандидатом в орбитальные лаборатории являются эритропоэтины, вырабатываемые почками и стимулирующие образование эритроцитов в красном костном мозге. Выработать чистые эритропоэтины на Земле еще никому не удавалось.
Тем не менее ученые сделали большой прогресс в изучении кровяных клеток, обнаружив в них целый ряд новых веществ, выполняющих роль иммунизирующих агентов. В условиях невесомости ученые надеются выделить новые препараты, которые помогут бороться, скажем, с ревматическим артритом, не поддающимся защитным действиям механизмов иммунитета. Джон Каррутерс, директор программы НАСА по разработке материалов, предсказывает, что «в один прекрасный день лекарства начнут поступать из космоса».
Помимо невесомости, другим важным преимуществом космоса является чистота и разряженность атмосферы на высоте 300 километров. Роберт Т. Фрост, директор отдела космических исследований фирмы «Дженерал электрик», называет верхние слои атмосферы «лучшей в мире вакуумной камерой». Но тут следует сделать оговорку. В районе челночных рейсов космическое пространство не будет таким чистым, как этого хотели бы исследователи, ибо выхлопные газы ракетных двигателей и мусор из грузовых отсеков будут неизменно сопровождать орбитальные аппараты. Кроме того, даже на этой высоте существует атмосфера, состоящая из рассеяных атомов кислорода и создающая давление, равное всего лишь десятимиллиардным долям земного давления над уровнем моря. В связи с этим НАСА намеревается сконструировать космический щит на носовой штанге аппарата. «Воздух» с космической скоростью будет обтекать щит и образовывать за ним почти идеальный вакуум. Фрост полагает, что в этом сверхчистом пространстве стоимость производства тонкой пленки для солнечных батарей составит всего один процент стоимости ее производства на Земле.
Конечно, все эти чудеса свершатся не в один день. В будущем астронавты найдут себе более широкое применение. Им придется монтировать в космосе энергетические установки для передачи на Землю солнечной энергии и выполнять другие функции. В обоз римом будущем НАСА, вероятно, превратится в своеобразный центр коммунального обслуживания. Владея всеми достояниями космоса, управление будет продавать свои услуги промышленным корпорациям всего мира. Впрочем, не исключена возможность, что НАСА передаст свое дело какой-нибудь частной фирме. Авиакомпания «Боинг», например, считает, что она могла бы извлечь прибыль из коммерческой эксплуатации космопланов.

July 15th, 2009 , 03:29 pm

Интереснейшие письма. Даю их без правки.

в 80-е годы мы работали над созданием металлургического производства в космосе. дело в том что при выращивании монокристалов кремния и германия на земле на специальных химико-металлургических заводах /один у россии остался в подольске, под москвой/, из этих монокристаллов получают подложки на которых выращивают микросхемы /микрочипы/. при этом и у японцев и у нас в СССР в брак уходит примерно 96% и выход годного не превышает 4%. но в СССР были проведены эксперименты по выращиванию в космосе монокристаллов кремния и германия. так вот из этих кристаллов, выращенных в космосе, при изготовлении микросхем выход годного был равен 99,99999999999999999999999999........... ........%.
вот такие дела. В 86 году финансирование этой тематики было прекращено.
работал я в НИИТМ, это система МОМ.
наш филиал был в днеппропетровске (ДФ НИИТМ),
в Златоусте (УФ НИИТМ)
при завершении этой работы весь мир был бы в руках у россии.

Вы же понимаете что каждый занимался своим маленьким кусочком работы. но суть проблемы в том, что при выращивании монокристаллов на земле, монокристаллы изобилуют дефектами на атомарном уровне - дислокациями, вакансиями, то есть или отсутствием атомов в кристаллической решетке, или наоборот избытком атомов в решетке. сделанная из таких дефектных монокристаллов подложка не позволяет вырастить нормальную микросхему, состоящую из миллионов элементов. выращенные в космосе с помощью экспериментальной установки "Сплав" монокристаллы были лишены тех дефектов, которые получает монокристалл выращенный на земле. тут сказыцвается и невесомость и глубокий ваккум и возможно какие то факторы, которые нам не известны. попытки химико-металлургического завода решить проблему на земле путем дефектоскопии монокристаллов ни к чему не привели, так как обнаружить наличие или отсутствие атома в кристаллической решетке пока не решаемо. но даже если и решаемо, то ведь кристалл то уже выращен дефектный!!!
а в космосе он растет БЕЗДЕФЕКТНЫЙ!
мы занимались вопросом создания системы неразрушающего контроля конструкции самого завода в космосе. завод разрабатывался как безвредное предприятие. все отходы литейного производства должны были отправлятся на солнце.
разрабатывались и конструкция предприятия и система доставки шихты и возврата на землю готовой продукции.
финансирование тематики прекратилось в 86 годк (примерно)
на нашем институте, который назывался НИИТМ (Марьина роща) сейчас висит этикетка "РОСКОСМОС", а по территории опытного производства бегают крысы...............
ладно, не буду больше. так у меня и ВИЛС уничтожили, на котором я более 20 лет проработал, и КБ "Сатурн" А.М.Люльки

"НИИТМ" научно-исследовательский институт технологии машиностроения. это отраслевой институт в Министерстве Общего Машиностроения (МОМ)
территориально находится в районе "Иарьина Роща"

завод предполагалось строить из сборных конструкций, доставляемых с земли и свариваемых в космосе. завод должен был обслуживаться сменными бригадами и сажать его на землю не предполагалось. разрабатывались и, возможно, были разработаны и сами части конструкции для сборки и корабли для доставки этих конструкций на место монтажа. разрабатывались вопросы энергетического обеспечения литейного процесса и выращивания монокристаллов. думаю что и доставка шихты и удаление готовой продукции должно было быть максимально автоматизировано, но промышленное производство здорово отличается от эксперимента, так что мои домыслы о сменных бригадах скорее всего верны.
даже не производя всего комплекса ныне существующих микрочипов, а торгуя одними подложками для их производства, россия могла бы не вывозить ни нефть, ни газ, и никакое сырье.
обогнать в этом направлении СССР было невозможно. вот поэтому его и убили - СССР