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.
Рост однородных кристаллов твердых растворов соединений А2В6 и А3В5 считается одним из перспективных направлений космического материаловедения. Этот метод уже использовался при выращивании кристаллов в космосе.
Однако и здесь в некоторых случаях наблюдалась большая неоднородность свойств выращенных кристаллов. В настоящее время за рубежом исследования в этом направлении продолжаются. В частности, в Японии выполняется обширная программа теоретических исследований и наземных экспериментов по подготовке космических экспериментов по получению на японском модуле МКС однородных кристаллов In1-xGaxAs и Cd1-xZnxTe. Аналогичные эксперименты планируются европейскими учеными в рамках программы MAP. Поэтому планируемый эксперимент ВАМПИР соответствует новейшим направлениям в космическом материаловедении.
Получение кристаллов А2В6 методом движущейся зоны растворителя обладает рядом преимуществ по сравнению с методами выращивания из расплава . Снижение температуры процесса определяет уменьшение количества собственных термодинамических дефектов в кристалле и загрязнение раствора материалом ампулы. В случае выращивания тройных твердых растворов метод позволяет получить кристаллы постоянного состава. Другим важным преимуществом метода является эффект очистки растущего кристалла от примесей, который наблюдается при использовании теллура в качестве растворителя. Недостатком метода является малая скорость роста, поэтому проведение таких экспериментов возможно только на долговременных КА.
Существенным отличием эксперимента ВАМПИР от планируемых за рубежом является использование вращающегося магнитного поля. Полученные ранее результаты космических экспериментов показывают необходимость управления процессами массопереноса в расплаве. Одним из возможных методов управления является использование вращающихся магнитных полей. Идея метода заключается в том, что в растворе возбуждается ламинарная стационарная конвекция, полностью определяющая массоперенос к растущей поверхности. В данном эксперименте предполагается изучить возможность управления процессами массопереноса в жидкой фазе с помощью вращающихся магнитных полей в условиях переменных во времени и по амплитуде динамических воздействий. При выбранной надлежащим образом величине магнитной индукции вынужденная конвекция является доминирующей и действием имеющихся на борту ПКК возмущений можно пренебречь. Отсутствие гидростатического давления в условиях микротяжести также должно привести к улучшению качества кристалла вследствие снижения термических напряжений при контакте кристалла со стенками контейнера.
Еще одним важным отличием предлагаемого эксперимента от проводимых ранее являются достаточно большие размерыг выращиваемых кристаллов (диаметр 25 мм). Известно, что увеличение размера кристаллов приводит не только к количественным, но и качественным изменениям в характере процесса роста. Поэтому нельзя отработать технологию получения кристаллов большого диаметра на малыгх образцах. Из изложенного следует, что предлагаемые эксперименты имеют приоритетное научное и практическое значение.
Если Вы сам деятель науки или просто любознательный человек, и Вы частенько смотрите или читаете последние новости в сфере науки или техники. Именно для Вас мы создали такой раздел, где освещаются последние новости мира в сфере новых научных открытий, достижений, а также в сфере техники. Только самые свежие события и только проверенные источники.
В наше прогрессивное время наука двигается быстрыми темпами, так что не всегда можно уследить за ними. Какие-то старые догмы рушатся, какие-то выдвигаются новые. Человечество не стоит на месте и не должно стоять, а двигателем человечества, являются ученые, научные деятели. И в любой момент может произойти открытие, которое способно не просто поразить умы всего населения земного шара, но и в корне поменять нашу жизнь.
Особая роль в науке выделяется медицине, так как человек, к сожалению не бессмертен, хрупок и очень уязвим к всякого рода заболеваниям. Многим известно, что в средние века люди в среднем жили лет 30, а сейчас 60-80 лет. То есть, как минимум вдвое увеличилась продолжительность жизни. На это повлияло, конечно, совокупность факторов, однако большую роль привнесла именно медицина. И, наверняка 60-80 лет для человека не предел средней жизни. Вполне возможно, что когда-нибудь люди перешагнут через отметку в 100 лет. Ученые со всего мира борются за это.
В сфере и других наук постоянно ведутся разработки. Каждый год ученые со всего мира делаю маленькие открытия, потихоньку продвигая человечество вперед и улучшая нашу жизнь. Исследуется не тронутые человеком места, в первую очередь, конечно на нашей родной планете. Однако и в космосе постоянно происходят работы.
Среди техники особенно рвется вперед робототехника. Ведется создание идеального разумного робота. Когда-то давно роботы – были элементом фантастики и не более. Но уже на данный момент некоторые корпорации имеют в штате сотрудников настоящих роботов, которые выполняют различные функции и помогают оптимизировать труд, экономить ресурсы и выполнять за человека опасные виды деятельности.
Ещё хочется особое внимание уделить электронным вычислительным машинам, которые ещё лет 50 назад занимали огромное количество места, были медленными и требовали для своего ухода целую команду сотрудников. А сейчас такая машина, практически, в каждом доме, её уже называют проще и короче – компьютер. Теперь они не только компактны, но и в разы быстрее своих предшественников, а разобраться в нем может уже каждый желающий. С появлением компьютера человечество открыло новую эру, которую многие называют «технологической» или «информационной».
Вспомнив о компьютере, не стоит забывать и о создании интернета. Это дало тоже огромный результат для человечества. Это неиссякаемый источник информации, который теперь доступен практически каждому человеку. Он связывает людей с разных континентов и молниеносно передает информацию, о таком лет 100 назад невозможно было даже мечтать.
В этом разделе, Вы, безусловно, найдете для себя что-то интересное, увлекательное и познавательное. Возможно, даже когда-нибудь Вы сможете одним из первых узнать об открытии, которое не просто изменит мир, а перевернет Ваше сознание.
ВОЗМОЖНОСТИ КОСМОСА
Помните, в США проводили конкурс среди детей. Надо было придумать космический эксперимент. Один мальчик предложил посмотреть, каким образом в невесомости будет плести свою паутину паук?
Предложенный школьником опыт может быть отнесен к экспериментам в области космической технологии, поскольку преследуемая цель - исследовать технологию плетения паутины в космосе. Интуитивно молодой исследователь предполагал, что в невесомости земная технология будет уже непригодна. Первые нити на Земле паук образует спускаясь с чего-нибудь, например, с ветки. А как это сделать в пространстве, где нет верха и низа? Надо «придумывать» новую технологию. И очень интересно, как паук справится с этой задачей...
Подобными вопросами задавались ученые-технологи, ставившие технологические эксперименты в космосе. В отличие от паука, который в невесомости растерялся и стал плести «неорганизованную» паутину, специалисты по космической технологии имели первоначальные представления, сформулированные еще К. Э. Циолковским. Но, конечно, вопросов было немало. Как будут расти кристалы в космосе? Что получится, если смешать не смешивающиеся на Земле расплавы различных металлов?..
Другими словами, космическая технология как новая область человеческих знаний на первых порах изучала особенности протекания на борту космического аппарата производственных процессов, связанных с получением различных материалов.
В космосе многое не очень похоже на земные условия: иначе кипит вода, нет привычного бурления жидкости, а из носика чайника не вырывается струя пара. В космосе иначе горит свеча. На Земле нагретый пламенем воздух поднимается вверх, а ему на смену приходит свежий, богатый кислородом, необходимым для процесса горения. А в космосе, если искусственно не обеспечить приток свежего воздуха, свеча погаснет, израсходовав кислород вокруг фитиля.
В космосе при отсутствии силы тяжести начинают проявляться другие силы, например, молекулярные. Если жидкость смачивает стенки сосуда, то вылить ее оттуда в невесомости - проблема. И наоборот, если не смачивает - то она в сосуде как бы «парит», едва касаясь стенок, и при первой возможности стремится покинуть место своего заточения.
Примеры можно продолжить. Но то, о чем мы с вами говорили, относится все-таки к простым физическим явлениям. Их протекание в непривычных для нас условиях невесомости в какой-то мере логически предсказуемо. Другие же, более сложные процессы, например, рост кристаллов в невесомости, представить умозрительно в подробностях гораздо труднее. Здесь необходимы прямые эксперименты и накопление знаний.
На Земле невесомость можно создать лишь кратковременно. Многие из вас на мгновение испытывали ее: на автомобиле, когда дорога вдруг резко идет под уклон; на самолете, когда он попадает в «воздушную яму»... Космонавты в период тренировок обязательно летают на самолетах-лабораториях, где их приучают к невесомости в течение нескольких десятков секунд, пока самолет совершает специальный маневр - «горку», т. е. летит по баллистической кривой (близкой к параболе). В ходе этих полетов проводились и кратковременные технологические эксперименты. Они носили либо качественный, либо демонстрационный характер.
По-настоящему же исследовать процессы в невесомости можно только в космосе, на ракетах-зондах, спутниках, орбитальных станциях.
НУЖНА ЛИ КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ?
Возникает естественный вопрос, для чего нужны технологические исследования в космосе? Для того, чтобы удовлетворить любопытство ученых. Но ведь провести эксперимент в космосе стоит очень дорого. Оправданы ли такие траты? Ответ однозначен - оправданы. Космоc (и только космос!) предоставляет нам уникальные физические условия, недостижимые на Земле. В этих условиях открывается возможность производить новые, еще невиданные по своим свойствам материалы, либо такие, производство которых на Земле чрезвычайно сложно и дорого. Конечно, речь идет не о тоннах и может быть даже не сотнях килограммов производимых материалов. По крайней мере в ближайшие десятилетия это вряд ли реально. Космическая техника еще не достигла такого уровня. Разговор может идти пока лишь об изготовлении уникальных образцов материалов, появление которых даст новый импульс развитию науки и техники, будет стимулировать технический прогресс. В этом случае будет оправдана высокая себестоимость такого материала.
Уже сейчас в условиях земной технологии некоторые «рекордные» образцы материалов, например, кристаллы полупроводников оцениваются по нескольку миллионов долларов за килограмм. За такую цену вполне реально окупить затраты, связанные с запуском космического объекта, его эксплуатацией в космосе и возвращением готовой продукции на Землю. Следовательно, можно реализовать рентабельное космическое производство. Но, безусловно, решение этой задачи - дело будущего. Пока для этого не созрели условия. Во-первых, требуется более высокий уровень развития ракетно-космической техники. Необходимо создать специализированные длительно летающие космические платформы, относительно дешевые и энергетически хорошо оснащенные. На них будут работать небольшие автоматические технологические комплексы для получения тех или иных материалов. Необходимо наладить регулярный грузопоток: туда - исходного сырья, обратно - готовой продукции. Во-вторых, необходимы знания, какие материалы целесообразно производить в космосе, по какой технологии? Для этого нужно выполнить предварительно обширный комплекс научно-исследовательских теоретических и экспериментальных работ.
НАЧАЛО СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОРБИТЕ
В 70-х годах такие работы были начаты в стране и за рубежом. В числе первых экспериментов были те, что выполнялись еще во время совместного космического полета «Союз» - «Аполлон» и продолжены на орбитальных станциях «Салют-4», «Салют-6» и «Салют-7». Эти эксперименты носили поисковый характер. Опробывались различные технологические процессы, эксперименты проводились с самыми различными материалами: сплавами металлов, композиционными материалами, полупроводниками, стеклами.
Но вот в апреле 1985 г. в Советском Союзе был запущен спутник «Космос-1645». После завершения 13-суточного полета спускаемый аппарат спутника доставил на Землю технологические установки и образцы материалов, полученные в космосе. Начиная с этого момента такие запуски стали ежегодными. С 1988 г. спутник получил название «Фотон». В апреле 1990 г. из космоса после 16-суточного полета вернулся очередной спутник «Фотон-6». На его борту, также как и на борту предыдущего «Фотона-5», в космос наряду с советской аппаратурой летала и аппаратура, созданная специалистами Франции. Расходы, и немалые, связанные с обеспечением запуска этой аппаратуры, оплачивались Французским национальным центром космических исследований (КНЕС).
ВАЖНЕЙШИЕ НАПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИВо-первых, выращивание высококачественных кристаллов полупроводников. Они требуются бурно развивающейся микроэлектронике, необходимы для создания уникальных лазеров, тепловизоров, чувствительных датчиков ядерных излучений и уникальных приборов для физических исследований. Как показали первые эксперименты, в невесомости полупроводниковые кристаллы выращиваются из расплава в более благоприятных условиях, чем на Земле. В расплаве отсутствует обязательная на Земле тепловая конвекция, из-за чего в растущем кристалле нет связанных с ней дефектов. Отсюда и иной характер взаимодействия растущего кристалла со стенкой тигля (осуществим свободный бестигельный рост кристалла).
Во-вторых, в космосе перспективна варка стекол. Современные технические стекла представляют собой многокомпонентные смеси. Отдельные компоненты существенно отличаются по удельной плотности. На Земле в расплаве эти компоненты стремятся расслоиться: более плотные опускаются ко дну тигля, менее плотные поднимаются наверх, приходится постоянно перемешивать расплав. Когда же стекломасса застывает, перемешивание невозможно, и в стекле образуются локальные сгустки более плотных компонентов (свили). Такое стекло уже дефектно. В невесомости нет расслоения компонентов расплава по удельной плотности.
В самостоятельное направление в последние годы выделилась космическая биотехнология (Земля и Вселенная, 1989, № 4). Первоначально основные работы здесь были сосредоточены на получении особочистых биопрепаратов. Один из методов очистки биопрепаратов - электрофорез. Но пока на первый план вышла идея использовать космос для выращивания совершенных кристаллов белковых веществ. Такие кристаллы остро необходимы для углубленного исследования белков методом рентгено-структурного анализа. На Земле кристаллы белков растут некачественными. Только космос здесь может решить проблему. Первые эксперименты это подтвердили. Недаром по коммерческим контрактам зарубежными специалистами на советских космических станциях выращивались кристаллы белков. Для их роста требуется довольно продолжительное время (не менее двух недель), а за рубежом пока нет для этого подходящих космических объектов.
Развитие космической технологии потребовало создание специальной бортовой технологической аппаратуры. Это разнообразные электропечи, кристаллизаторы, установки для электрофореза. Во всех таких сложных технических устройствах, в которых реализуются, например, процессы плавки и кристаллизации полупроводниковых материалов, аппаратура должна быть максимально легкой, компактной, надежной, безопасной, малоэнергоемкой, прочной. Нередко требования противоречат друг другу. Например, безопасность и высокая надежность требуют, как правило, увеличения массы, габаритов (за счет резервирования, увеличения запаса прочности и т. д.), а это, в свою очередь, приводит к увеличению энергопотребления.
ЧТО УЖЕ СДЕЛАНО?
На борту всех уже запущенных спутников «Фотон» размещалась установка «Зона-1» (последующая ее модификация - «Зона-4») - электропечь для выращивания полупроводниковых кристаллов методом зонной плавки. В исходном образце материала диаметром 10-20 мм проплавляется узкая (около 20 мм) зона, которая при медленном перемешивании образца относительно нагревателя также постепенно перемещается от одного конца образца к другому. Происходит процесс очистки и роста кристалла. При этом в невесомости зона расплава может удерживаться силами поверхностного натяжения и не проливаться, даже если образец не касается стенок тигля. Преимущество такой бестигельной зонной плавки состоит в том, что растущий кристалл не загрязняется примесями из стенок тигля и растет свободно без механического воздействия со стороны тигля.
Напомню, что в земных условиях бестигельная зонная плавка ряда полупроводниковых материалов (например, германия) неосуществима. На установке впервые в космических условиях в автоматическом режиме были получены методом бестигельной зонной плавки монокристаллы германия (чистого и легированного) и антимонида галлия - типичные представители наиболее интересных классов полупроводников.
Установка «Сплав-2» также автоматическая электропечь, созданная для спутника «Фотон», но реализующая методы кристаллизации из газовой фазы и объемного затвердевания. В «Сплаве-2» имеется магазин с двенадцатью металлическими капсулами, которые поочередно загружаются в печь. На конце каждой капсулы есть кодоноситель, содержащий зашифрованную программу эксперимента. Перед загрузкой в печь эта информация считается электронным устройством и передается в память управления. В установке «Сплав-2» проводились эксперименты с полупроводниками и стеклами. Особенно удачными были эксперименты по получению стекол с переменным показателем преломления.
Биотехнологические эксперименты на спутнике «Фотон» выполнялись в установке «Каштан», в которой производится разделение и очистка биологических веществ методами электрофореза в свободной среде жидкости, а также выращиваются кристаллы белков.
Основной узел установки - термостат, поддерживающий температуру +4 °С (наиболее благоприятную для биопрепаратов).
В зависимости от использования установки в термостате размещается электро-форетическая колонка, либо биокристаллизатор.
Качественные кристаллы белков необходимы современной биологии и медицине, но в земных условиях рост кристаллов из растворов белков в большинстве случаев крайне затруднен.
МОДУЛЬ «КРИСТАЛЛ»
Особое место эксперименты в космической технологии занимают в программе работ экипажей советской долговременной орбитальной станции «Мир». Пристыкованный к станции 10 июня 1990 г. модуль «Кристалл» (Земля и Вселенная, 1990, № 4, с. 52.), оснащенный целым рядом бортовых технологических установок, стал настоящей производственной лабораторией в космосе для проведения разнообразных экспериментов и получения материалов методами космической технологии. Среди технологических установок модуля «Кристалл» - две печи «Зона-2» и «Зона-3» более совершенные установки по сравнению с аналогичными на спутниках «Фотон». Они открывают новые возможности для проведения систематических исследований и экспериментов в интересах народного хозяйства страны.
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.
ВЛАСОВ В.Н., КОРОБЕЙНИКОВА Е.Н., ПРОХОРОВ И.А., СЕРЕБРЯКОВ Ю.А., СИДОРОВ В.С., ШУЛЬПИНА И.Л. - 2012 г.
