© I. Zh. Bezbakh, V. I. Strelov, dan B. G. Zakharov
© Museum Negara Sejarah Kosmonotika. K.E. Tsiolkovsky, Kaluga
Bagian "K.E. Tsiolkovsky dan masalah produksi ruang angkasa"
2004

Salah satu bidang penting dari bioteknologi terestrial dan luar angkasa adalah memperoleh kristal biomakromolekul untuk menentukan struktur spasialnya dengan metode kristalografi dan selanjutnya menggunakan informasi yang diperoleh untuk tujuan biologis, medis, dan industri.

Selama beberapa dekade terakhir, hasil telah diperoleh pada ratusan makromolekul dan ribuan kristalnya, teknik kristalisasi telah meningkat secara signifikan, ilmu menumbuhkan kristal biomaterial dari empiris menjadi lebih dan lebih akurat. Namun, produksi biokristal yang stabil dengan ukuran dan keseragaman yang sesuai untuk penelitian masih menjadi masalah dalam keseluruhan proses ini. Sampai saat ini, sekitar 35% kristal protein yang ditanam secara komersial di bawah kondisi luar angkasa telah terbukti memiliki kualitas struktural yang lebih tinggi daripada yang diperoleh dalam kondisi serupa di Bumi. Dalam keadaan tanpa bobot, dimungkinkan untuk mendapatkan biokristal yang lebih unggul dalam volume dan resolusi dibandingkan dengan rekan terestrialnya. Namun, 65% kristal yang tersisa, bertentangan dengan perkiraan, ternyata memiliki kualitas yang lebih buruk daripada rekan-rekan terestrial mereka.

Dalam hal ini, penting untuk menentukan faktor mana yang menentukan dalam hal kualitas biokristal yang diperoleh. Karena kekuatan ikatan yang lemah antara molekul dalam biokristal, pengaruh kondisi eksternal dan faktor internal pada proses kristalisasi dapat menentukan. Biasanya dianggap bahwa transisi ke kondisi difusi murni diperlukan. Ini sepenuhnya dapat dicapai saat melakukan eksperimen tanpa bobot.

Poin negatif utama yang mempengaruhi proses kristalisasi biomaterial di Bumi adalah sebagai berikut: dalam kondisi terestrial, selain transfer massa difusi, terjadinya aliran konvektif dalam larutan adalah tipikal, yang, jika besar, dapat memiliki dampak yang sangat negatif. berpengaruh pada proses pertumbuhan dan kualitas kristal yang dihasilkan. Pengendapan kristal juga dapat diamati, yang mengganggu simetri pasokan biomaterial terlarut kepada mereka dan mempengaruhi bentuknya. Pada saat yang sama, upaya untuk melakukan kristalisasi biomaterial dengan berbagai cara karena mekanisme difusi eksklusif mengarah pada peningkatan yang signifikan dalam waktu yang diperlukan untuk percobaan dan penurunan stabilitas kondisi percobaan.

Dalam kondisi ruang, kekurangan tersebut dapat dihilangkan. Namun, efek getaran biasanya mulai berpengaruh, terutama signifikan di atas Stasiun Luar Angkasa Internasional. Pada saat yang sama, cara pengaruh mereka dan mekanisme kompensasi mereka penting.

Studi lebih lanjut tentang proses kristalisasi biomaterial untuk lebih memahaminya, peningkatan metode dan peralatan kristalisasi, pengurangan pengaruh kondisi eksternal pada proses, dll. akan memungkinkan untuk melakukan eksperimen ruang angkasa dengan mendapatkan biokristal yang sempurna.

Setelah berhasil menyelesaikan misi penelitian mereka pada musim semi 2013, giliran "Photon". Secara eksternal, pesawat ruang angkasa adalah saudara kembar. Tetapi tugas ilmiahnya berbeda. "Foton-M" nomor 4 dirancang untuk melakukan eksperimen di orbit di bidang teknologi luar angkasa untuk produksi semikonduktor dalam gayaberat mikro, bioteknologi untuk mendapatkan pengetahuan baru dalam fisika tanpa bobot. "Foton" akan pergi ke orbit dalam seminggu.

Dalam kehidupan sehari-hari, kita bahkan tidak mengira bahwa garam, gula, logam, batu mulia semuanya kristal. Saat ini, tidak ada satu pun perangkat elektronik yang dapat melakukannya tanpa mereka.

"Tanaman ruang angkasa pertama untuk menumbuhkan kristal. Pada tahun 1976, kristal aluminium-kalium ditanam di atasnya di stasiun Salyut-5. Tidak ada kondisi khusus yang diperlukan untuk pertumbuhannya, tidak ada suhu khusus, tidak ada tekanan, para ilmuwan perlu melihat bagaimana ketidakhadirannya. gravitasi mempengaruhi kisi kristal. Dan, tampaknya, sesuatu yang lain telah tertinggal di sini sejak saat itu, "Ksenia Zima memeriksa isi instalasi ruang untuk menumbuhkan kristal.

Studi tentang kristal yang tumbuh di orbit telah menunjukkan bahwa protein tumbuh paling baik di sana.

", salah satu tugasnya adalah untuk mendapatkan kristal yang sangat bersih, untuk mendapatkan kristal yang homogen. Untuk protein, penekanan konveksi adalah faktor yang menguntungkan. Di ruang angkasa, pergerakan cairan ditekan, sehingga mereka tumbuh lebih baik di sana, "jelasnya. Alexei Voloshin, Wakil Direktur Institut Kristalografi Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia.

Di Baikonur, pemasangan peralatan ilmiah ke dalam pesawat ruang angkasa "Photon-M" telah selesai. Mulai akan segera datang. Di atas satelit terdapat instrumen untuk lusinan eksperimen dalam kristalografi, ilmu material, biologi, dan mikrobiologi. Dan ini hanya sebagian dari petunjuk arah. Singkatnya, "Foton" adalah sekelompok ide ilmiah.

"Keunikannya adalah "Foton" sebelumnya tidak terbang bersama kami selama lebih dari 20 hari. Penerbangan ini direncanakan selama 60 hari. Ini yang pertama. Kedua, pesawat ruang angkasa ini memiliki sistem propulsi, kami dapat mengangkat perangkat ke orbit yang lebih tinggi. Kami akan terbang di ketinggian 500 kilometer," kata Valery Abrashkin, kepala pusat roket dan ruang angkasa TsSKB-Progress.

Semakin tinggi semakin baik, kata para ilmuwan. 500 kilometer - dekat ruang angkasa: atmosfer tidak lagi mempengaruhi begitu banyak, gravitasi sangat lemah, yang berarti kemurnian eksperimen akan tinggi.

"Kami menerbangkan 22 jenis peralatan di pesawat ruang angkasa ini. Setiap peralatan memiliki beberapa eksperimen. Artinya, kami mencoba mengatur pesawat ruang angkasa sedemikian rupa sehingga para ilmuwan dari berbagai bidang penelitian dapat mengatur eksperimen mereka dan memperoleh informasi ilmiah yang diperlukan," lanjut Valery Abrashkin.

Secara lahiriah, "Foton" mirip dengan alat biologis ilmiah "Bion". Saudara kembar. Sebuah kapsul bundar, yang diisi dengan instrumen ilmiah. Ketika kembali dari luar angkasa, itu tidak terbakar di atmosfer, semua eksperimen kembali ke Bumi.

Tidak seperti Foton, biosatelit memiliki sistem pendukung kehidupan. Suhu, tekanan, tingkat oksigen tertentu dipertahankan, karena penumpang utama Bion adalah organisme hidup. "Foton" tidak membawa penumpang, para ilmuwan melakukan eksperimen teknologi pada mereka.

"Payload adalah salah satu perangkat kristalisasi protein yang akan terbang di Foton. Perangkat ini didasarkan pada prinsip counter-difusi cairan," kata Alexey Voloshin.

Di orbitlah struktur protein yang lebih akurat dapat diperoleh. Untuk apoteker, ini sangat membantu dalam menciptakan obat baru yang efektif.

"Jika itu adalah protein dari beberapa bakteri berbahaya, maka zat yang dipilih akan menekan struktur protein ini. Jika protein melakukan fungsi yang bermanfaat, mereka memilih zat yang harus meningkatkan fungsi ini," kata Alexei Voloshin, wakil direktur dari Institut Kristalografi Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, tentang esensi eksperimen.

Dokter gigi sejati bekerja di laboratorium lain. Lubang-lubang basal, tempat mikroorganisme berada, disegel. Pelat dengan mikroba akan menempel di bagian luar kapal Foton.

Bakteri harus menahan radiasi kosmik, dan setelah kembali - suhu tinggi. Jika mereka tidak mati - para pendukung teori panspermia - bahwa meteorit menabur kehidupan di Bumi - akan memiliki argumen yang kuat.

"Setelah penanaman, basal yang dipanaskan dikeluarkan dan kemudian mereka melihat untuk melihat apakah mikroorganisme bertahan. Ini adalah bagaimana teori panspermia diuji," kata Vladimir Sychev, wakil direktur Institut Masalah Biomedis dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia. .

Mikroba dipilih khusus, yang akan menahan suhu raksasa ratusan derajat. Benar, percobaan seperti itu tidak berhasil untuk rekan asing - bakterinya mati. Namun, hasil negatif hanya menginspirasi ahli mikrobiologi kami.

"Kami, terinspirasi oleh pengalaman rekan-rekan kami di Eropa, memutuskan untuk memperluas spektrum mikroorganisme. Bersama dengan Institut Mikrobiologi dari Akademi Ilmu Kedokteran Rusia, kami menciptakan kumpulan budaya dan asosiasi yang dapat dibawa ke Bumi sebagai bagian dari meteorit,” kata Vyacheslav Ilyin, kepala laboratorium di Institut Masalah Biomedis dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia.

Untuk pertama kalinya pada "Foton" ini aturan utama akan dilanggar: jangan membawa hewan. Di pesawat ruang angkasa di kabinnya yang dilengkapi secara khusus.

"Spesies ini hidup di pulau Mauritius, alasan utama mengapa spesies ini dipilih adalah ukurannya yang kecil, dan alasan utama mengapa spesies ini dapat hidup tanpa makanan hidup, yang akan memungkinkan mereka untuk hidup dengan sempurna selama 2 bulan," menekankan karyawan ilmiah terkemuka dari Institut Masalah Biomedis dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Rustam Berdiev.

Ciri utama hewan ini, yang menarik para ilmuwan, tokek dapat menempel di permukaan apa pun. Oleh karena itu, dalam gravitasi nol, mereka tidak terbang, tetapi menjalani kehidupan mereka yang biasa dan merasa hebat. Nah, jika hanya saat awal mereka akan terlempar sedikit.

"Mereka menempel di permukaan, ada banyak jenisnya, beberapa memiliki cangkir hisap khusus atau kait kecil di kaki mereka, mereka menempel di permukaan apa pun, bagi mereka permukaan lebih penting daripada gravitasi. Mereka menempel di permukaan dinding. dan tidak mengalami stres flotasi. Jadi, untuk pertama kalinya dalam sejarah, kami bisa menghilangkan stres," kata Sergey Solovyov, kepala laboratorium di Research Institute of Human Morphology.

Banyak percobaan pada tokek telah menyarankan kepada para ilmuwan bagaimana menangani dampak negatif dari keadaan tanpa bobot pada manusia. Dari tinggal lama di orbit, astronot dicuci dari kalsium dari tubuh. Ini tidak diamati pada tokek.

"Ternyata model klasiknya adalah demineralisasi kerangka, ternyata tokek yang bisa menempel di permukaan. Ini menyelamatkan tulang mereka dari demineralisasi. Tokek telah menunjukkan cara yang perlu kita kembangkan lebih lanjut untuk mengurangi demineralisasi kerangka astronot,” kata Sergey Solovyov.

Mengirim kendaraan ke luar angkasa hanya demi ilmu pengetahuan dimulai 40 tahun yang lalu. Sejak itu, puluhan satelit telah diluncurkan. Ada monyet, tikus, ikan di orbit. Dan setiap penerbangan seperti itu adalah langkah lain menuju impian umat manusia yang berharga - penerbangan antarplanet.

Di sabuk lebar ruang dekat Bumi, pada ketinggian lebih dari tiga ratus hingga 35.800 kilometer, di mana satelit stasioner berputar secara serempak dengan planet kita, Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA) memperkirakan perkembangan industri. Bekerja di ruang tanpa udara ini dalam kondisi tanpa bobot yang lengkap, perusahaan ruang angkasa akan dapat menghasilkan bahan baru yang harganya puluhan ribu dolar per kilogram di Bumi. Pembangkit listrik dengan sistem panel surya yang kompleks akan mampu mengubah energi Matahari menjadi listrik dan mengirimkannya ke Bumi. Pesawat luar angkasa akan melayani industri langit.
Sementara itu, perwakilan industri bumi bereaksi terhadap rencana yang menjanjikan ini dengan cara yang berbeda dan, secara keseluruhan, sangat tertutup. Di satu sisi, perusahaan industri terkemuka yang telah mengontrak NASA untuk pengembangan peralatan ruang angkasa dan proses eksperimental sangat antusias, sementara perusahaan industri lainnya, yang kurang menyadari inisiatif baru, bersikap skeptis. Robert A. Frosch, direktur NASA, menyatakan bahwa misinya adalah "untuk menyediakan akses ke luar angkasa dan mengembangkan proses teknologi dasar yang harus dievaluasi oleh calon konsumen sebelum dia memutuskan untuk berinvestasi."
Laboratorium swalayan di pesawat luar angkasa akan menjadi fasilitas manufaktur pertama di luar angkasa. Anggota kru, setelah menerima pelatihan yang sesuai, akan membuat paduan logam di tungku peleburan listrik, salah satunya ditunjukkan di dekat dinding kiri pada gambar. Di ruang kerja, peneliti yang dilengkapi dengan sepatu bot suction cup akan dapat bergerak setinggi mungkin.
Di kompartemen perintah, mereka akan "mengambang" melalui airlock yang berdekatan. Di sepanjang dinding kanan laboratorium akan ada kandang untuk hewan percobaan.

Ilustrasi oleh Nicholas Solovyov

Namun, skeptisisme perusahaan yang tertarik pada keuntungan mungkin terlalu dibesar-besarkan. Faktanya adalah bahwa NASA bukanlah orang baru di luar angkasa, dan membangun rencananya berdasarkan eksperimen sukses yang dilakukan selama penerbangan orbit sebelumnya. Eksperimen ini, yang dilakukan terutama di atas stasiun luar angkasa Skylab dan selama penerbangan gabungan pesawat ruang angkasa Apollo dan Soyuz, membuktikan bahwa hal-hal menakjubkan terjadi pada benda-benda fisik di luar gravitasi bumi: kristal tumbuh lebih merata, dalam beberapa kasus dalam ukuran sepuluh kali lipat. spesimen terestrial; Senyawa biologis dapat lebih mudah dipisahkan dan disortir, sehingga diharapkan vaksin yang lebih bersih dan obat-obatan baru dapat diproduksi. Selain itu, selama penerbangan sebelumnya menjadi jelas bahwa di luar angkasa dimungkinkan untuk mengembangkan jenis kaca baru, berbagai superalloy, serta sejumlah bahan dari berbagai kepadatan dengan sifat yang tidak diketahui di Bumi. Beberapa ilmuwan percaya bahwa penerbangan pesawat ruang angkasa akan menandai awal dari penemuan baru, yang signifikansinya dapat disamakan dengan pompa vakum yang dikembangkan pada abad ke-17.
Pada tahap ini, apresiasi terhadap area yang masih belum dijelajahi ini hanya mungkin jika beberapa perusahaan industri mengambil langkah ke luar angkasa, karena tidak ada perusahaan industri yang boleh mengabaikan era baru perubahan besar di ambang yang kita hadapi dengan latar belakang teknologi saat ini. kemajuan.
Keuntungan produksi ruang angkasa paling mudah dijelaskan oleh kerugian terestrial, di mana gravitasi adalah yang utama. Sebagian besar bahan padat melewati tahap pelunakan atau peleburan dalam proses pembuatan atau pemrosesannya, dan di mana ada gravitasi, mereka harus dipegang oleh dinding satu wadah atau lainnya - penyebab cacat material.
Selain itu, gravitasi menyebabkan arus konvektif yang mengikuti gradien suhu di lapisan fluida. Arus konvektif, yang bersifat kacau dan dapat berubah, sering menyebabkan perbedaan struktural dan komposisi yang tidak terduga dan tidak diinginkan dalam bahan padat, seperti pembentukan daerah lunak atau cair. Gravitasi juga memisahkan molekul, meninggalkan rongga di mana kotoran asing terkumpul. Jika cairan terdiri dari dua atau lebih konstituen, gravitasi cenderung memisahkan bahan-bahan ini, melanggar homogenitasnya dalam keadaan padat.
Efek gravitasi yang berbahaya ini telah menyiksa lebih dari satu generasi industrialis sejak pengecoran patung perunggu pertama; karena itu, logam tidak akan pernah bisa mencapai kekuatan dan karakteristik lain yang diberikan teori kepada mereka. Jadi, misalnya, baja bisa sepuluh atau bahkan seratus kali lebih kuat dari yang sekarang. Baling-baling mesin jet hancur pada suhu yang akan sangat meningkatkan efisiensinya. Kabel mikro alat pacu jantung atau pin pencangkokan tulang (biaya keduanya tinggi, belum lagi trauma penggantiannya) lebih cepat aus daripada yang seharusnya secara teoritis.
Dalam kondisi tanpa bobot ruang, sebagian besar kesulitan dalam produksi bahan ini tidak ada. Tentu saja, secara tegas, gravitasi nol tidak ada, karena setiap partikel dan setiap atom saling tarik-menarik. Namun, di atas pesawat ruang angkasa, keadaan tanpa bobot akan mendekati nol yang tidak dapat dicapai ini: dalam penerbangan yang tenang itu akan sama dengan sepersejuta gravitasi bumi, tetapi ketika para astronot menyalakan roket tambahan untuk memperbaiki arah atau, katakanlah, mulai bergerak di sepatu cangkir hisap mereka, tanpa bobot akan meningkat menjadi seperseribu gravitasi bumi, yang oleh para ilmuwan disebut "gravitasi mikro". Satu firma riset NASA akan menunjukkan bahwa gravitasi mencegah produksi setidaknya empat ratus paduan berbeda. Banyak dari mereka adalah kombinasi logam yang, seperti minyak dan air, tidak bercampur dalam kondisi terestrial. Tetapi dalam kondisi tanpa bobot, mereka bercampur hingga skala mikro dan, setelah mengeras, memperoleh kekuatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dan sifat listrik, magnet, dan fisik lainnya yang tidak diketahui. Paduan logam ini dapat digunakan untuk membuat mobil yang kuat dan ringan, furnitur yang hampir tidak berbobot, dll. Perusahaan listrik sangat tertarik pada paduan superkonduktor yang mampu mentransmisikan listrik pada suhu rendah tanpa kehilangan energi.
Jadi, misalnya, tembaga dan timbal atau timbal dan aluminium, paduan dalam proporsi tertentu, menunjukkan sifat pelumasan timbal balik, yang, mungkin, akan membantu perancang menciptakan mesin mobil yang cukup untuk delapan ratus atau lebih ribu kilometer perjalanan mobil.
Banyak dari bahan-bahan ini hanya dapat diproduksi di luar angkasa menggunakan apa yang disebut metode tanpa wadah: logam cair membeku tanpa menyentuh apa pun. Hal ini dimungkinkan karena "mengambang", yang merupakan ciri khas setiap benda di ruang angkasa. Sampel cairan atau padat dapat dengan mudah digantung ke posisinya dalam medan akustik, elektromagnetik, atau elektrostatik. Karena gaya sekunder seperti tegangan permukaan mendominasi di ruang angkasa, material yang menyatu secara otomatis mengambil bentuk bola. Bola dapat diberikan bentuk yang diinginkan hanya dengan pengaruh yang tidak signifikan dari kekuatan eksternal di atasnya. Di Bumi, proses containerless belum berjalan jauh, karena di sini membutuhkan dampak besar dari kekuatan eksternal. Di luar angkasa, gelombang suara pemain biasa akan membuat bola baja melambung tinggi.
Proses tanpa wadah dapat mengarah pada perbaikan struktur mikro tungsten, salah satu logam tahan api (suhu leleh 3410 °C), yang dalam keadaan cair sangat rentan terhadap kontaminasi. Kotoran asing yang terbentuk di wadah menghalangi produksi kaca optik murni dan meningkatkan biaya produksi serat kaca berkualitas tinggi yang dibutuhkan untuk jalur komunikasi baru yang dikembangkan oleh American Telephone and Telegraph Company dan perusahaan lain. Kaca buatan luar angkasa, yang memiliki pembiasan dan dispersi yang unik, akan digunakan secara luas dalam teknologi laser dan sistem optik lainnya. "Daftar instrumen optik akan berlipat ganda," prediksi Ralph Happe, spesialis manufaktur kaca di Rockwell International Corporation.
Tapi, mungkin, prospek terluas dalam waktu dekat terbuka di industri luar angkasa untuk kristal, yang telah menjadi bagian integral dari elektronik dan optik elektronik. Dalam elektronik, mereka menggunakan properti kristal untuk menghantarkan elektron di bawah kondisi yang ditentukan secara ketat dan dikontrol sepenuhnya, dalam optik - transparansinya, yang tidak dapat dibandingkan bahkan dengan kaca kualitas tertinggi, yang, karena struktur amorfnya, menyebarkan sebagian cahaya.
Menumbuhkan kristal di Bumi umumnya dianggap bukan ilmu, tetapi seni. Spesialis yang menumbuhkan kristal berbentuk wortel terbesar, yang digunakan dalam pembuatan sirkuit terpadu semikonduktor, menyebut diri mereka "penumbuh kristal", yang, pada kenyataannya, tidak jauh dari kebenaran. Meskipun kristal bukan makhluk hidup, mereka agak seperti tanaman. Kristal membutuhkan makanan dan peregangan menuju sumber nutrisi. Dan di sini, seperti yang dikatakan seorang peneliti, "pembuat kristal menambahkan sedikit ini, sedikit itu, seperti resep." Distribusi seragam dari semua pengotor penting ini, yang memberikan kristal semikonduktor dengan sifat elektronik yang diperlukan, sulit dicapai dalam kondisi terestrial karena arus konvektif yang disebabkan oleh gravitasi. Akibatnya, "panenan" kristal yang cocok untuk semikonduktor di bumi kecil.
Keberhasilan menumbuhkan kristal di luar angkasa secara fasih dibuktikan dengan eksperimen yang dilakukan di stasiun orbital Skylab. Eksperimen Bali dikembangkan oleh Harry Gatos, seorang profesor MIT yang berspesialisasi dalam kekuatan material dan desain teknik. Para astronot berhasil mendapatkan sampel kristal indium-antimonida. Dengan mengukur konduktivitas sampel di seluruh panjangnya, Gatos menemukan bahwa sifat listrik kristal itu konstan. Dalam kristal serupa, tumbuh di bawah kondisi terestrial, sifat-sifat ini berubah dari satu ujung ke ujung lainnya. Selama penerbangan bersama Apollo-Soyuz, Gatos berhasil menumbuhkan sampel kristal germanium ideal yang sama. Dan meskipun eksperimen ini, karena keadaan, sangat sederhana, mereka tetap melebihi semua harapan.
Kristal yang tumbuh di ruang angkasa akan dilanjutkan dengan dimulainya penerbangan pertama pesawat ruang angkasa laboratorium. Sebagai bukti, sebuah contoh diberikan dengan helium arsenide, yang banyak digunakan dalam produksi LED yang memancarkan, laser, perangkat gelombang mikro dan peralatan teknis lainnya. Satu pon (450 gram) galium arsenida berkualitas tinggi saat ini bernilai $15.000. Akibatnya, biaya produksi kristal ini hanya sebagian kecil dari harga jualnya. Kristal dari luar angkasa menyediakan lebih banyak sirkuit terpadu semikonduktor sempurna dan dengan demikian membenarkan harga kristal yang tinggi. Jika kristal berkualitas tinggi memunculkan area baru aplikasinya, maka mereka benar-benar tidak memiliki harga.
Produk lain yang mungkin menguntungkan adalah bola kecil yang terbuat dari plastik yang sangat umum - lateks polistiren. Bola dengan diameter kurang dari dua mikron dan lebih dari 40 mikron dapat dibuat di Bumi, tetapi bola berukuran sedang ternyata tidak stabil dan, karena alasan teknis yang rumit, tidak dapat diproduksi secara massal. Dan para ilmuwan sangat membutuhkan diameter rata-rata seperti itu. Jika, misalnya, bola dengan diameter berbeda dimasukkan ke dalam biakan bakteri sebelum dianalisis di bawah mikroskop elektron, maka dengan bantuan mereka, para ilmuwan dapat membuat pengukuran yang akurat dari banyak objek mulai dari virus hingga lubang di diafragma. Selain itu, bola kecil dapat digunakan untuk mengkalibrasi mikroskop elektron itu sendiri dan instrumen lainnya.
Ruang penuh dengan peluang luas untuk kemajuan lebih lanjut dari biologi dan kedokteran. Gayaberat mikro akan membantu para ilmuwan memisahkan jenis sel tertentu, komponen dan produk seluler, dan protein. Vaksin akan memperoleh kemurnian yang tidak dapat dicapai di Bumi. Penerbangan sebelumnya tidak hanya memberikan informasi berharga, tetapi juga pelajaran untuk masa depan; Selama percobaan dengan DNA susu salmon, bakteri memasuki medium dan menghancurkannya sepenuhnya.
Masalahnya adalah ratusan zat biologis di Bumi tidak dapat disintesis atau dipisahkan karena arus konvektif yang sama yang memberikan komposisi yang tidak merata dan tidak dapat diprediksi. Banyak dari produk biologis kompleks ini diproduksi oleh tubuh manusia. Urokinase, misalnya, mendorong aktivasi enzim yang melarutkan bekuan darah, dan hanya lima persen sel hati yang terlibat dalam produksi bahan kimia yang berharga ini. Tugas laboratorium luar angkasa adalah memisahkan sel-sel ini dan kemudian, untuk tujuan reproduksi, mengolahnya di Bumi. Sel-sel hati yang diisolasi pada penerbangan Apollo-Soyuz menghasilkan urokinase tujuh kali lebih banyak dari biasanya, tetapi karena alasan yang menarik bagi para ilmuwan untuk mengetahuinya, sel-sel ini berhenti memproduksi urokinase di Bumi.
Hormon yang diproduksi oleh tubuh dan zat lain, seperti zat antivirus interferon atau endorfin - obat penghilang rasa sakit otak, juga dapat diperoleh dalam bentuk murni di luar angkasa. Kandidat laboratorium orbital berikutnya adalah eritropoietin, yang diproduksi oleh ginjal dan merangsang pembentukan sel darah merah di sumsum tulang merah. Belum ada yang berhasil memproduksi eritropoietin murni di Bumi.
Namun demikian, para ilmuwan telah membuat kemajuan besar dalam studi sel darah, menemukan di dalamnya sejumlah zat baru yang bertindak sebagai agen imunisasi. Dalam kondisi tanpa bobot, para ilmuwan berharap untuk mengisolasi obat baru yang akan membantu melawan, katakanlah, rheumatoid arthritis, yang tidak dapat diterima dengan tindakan perlindungan mekanisme kekebalan. John Carruthers, direktur program pengembangan material NASA, memperkirakan bahwa "suatu hari nanti obat-obatan akan mulai datang dari luar angkasa."
Selain tidak berbobot, keunggulan penting lainnya dari luar angkasa adalah kemurnian dan ketipisan atmosfer di ketinggian 300 kilometer. Robert T. Frost, direktur penelitian ruang angkasa di General Electric, menyebut atmosfer atas sebagai "ruang vakum terbaik di dunia". Tapi di sini perlu untuk membuat reservasi. Di bidang penerbangan antar-jemput, luar angkasa tidak akan sebersih yang diinginkan para peneliti, karena gas buang dari mesin roket dan puing-puing dari kompartemen kargo akan selalu menyertai pengorbit. Selain itu, bahkan pada ketinggian ini, ada atmosfer yang terdiri dari atom oksigen yang tersebar dan menciptakan tekanan yang sama dengan hanya sepuluh miliar tekanan bumi di atas permukaan laut. Dalam hal ini, NASA bermaksud untuk membangun perisai luar angkasa pada boom hidung perangkat. "Udara" dengan kecepatan kosmik akan mengalir di sekitar perisai dan membentuk ruang hampa yang hampir sempurna di belakangnya. Frost percaya bahwa di ruang ultra murni ini, biaya produksi film tipis untuk sel surya hanya satu persen dari biaya produksinya di Bumi.
Tentu saja, semua keajaiban ini tidak akan terjadi dalam satu hari. Di masa depan, astronot akan menemukan lebih banyak kegunaan untuk diri mereka sendiri. Mereka harus memasang pembangkit listrik di luar angkasa untuk mengirimkan energi matahari ke Bumi dan melakukan fungsi lainnya. Untuk masa mendatang, NASA kemungkinan akan menjadi semacam pusat layanan publik. Memiliki semua aset luar angkasa, manajemen akan menjual layanannya kepada perusahaan industri di seluruh dunia. Namun, tidak menutup kemungkinan NASA akan mengalihkan bisnisnya ke beberapa perusahaan swasta. Maskapai Boeing, misalnya, yakin bisa mendapat untung dari operasi komersial pesawat luar angkasa.

Baru-baru ini, para ilmuwan dari Jepang berhasil menumbuhkan kristal helium padat yang ideal, yang sangat sulit dilakukan di laboratorium terestrial - mereka mudah berubah bentuk di bawah pengaruh gravitasi. Namun, para peneliti bertindak dengan cara yang sangat orisinal - mereka menumbuhkan kristal helium dalam gravitasi nol, yang dibuat di atas pesawat jet.

Sebelum memulai cerita tentang kristal helium padat, perlu diingat mengapa para ilmuwan membutuhkannya sama sekali. Seperti yang kita ketahui, di antara berbagai keadaan agregat materi, selain cair, padat dan gas, ada juga yang disebut kondensat Bose-Einstein. Dalam keadaan ini, materi tidak terdiri dari molekul dan atom, tetapi boson yang didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak.

Salah satu sifat menarik dari kondensat Bose-Einstein adalah superfluiditas - keadaan di mana ia memiliki viskositas nol, yaitu, ketika melewati berbagai lubang atau hanya di permukaan, tidak ada gesekan di antara itu sama sekali. Anda mengerti, properti seperti itu bisa sangat berguna. Selain itu, telah dibuktikan bahwa, dalam keadaan superfluida, zat juga dapat menjadi superkonduktor suhu tinggi.

Singkatnya, jika para ilmuwan dapat mentransfer zat yang kita ketahui ke keadaan superfluida tanpa masalah, banyak masalah dapat diselesaikan. Tapi inilah masalahnya - masih cukup sulit untuk melakukan ini. Pada saat yang sama, pada tahun 60-an abad terakhir, disarankan bahwa beberapa padatan, terutama yang membentuk kristal, juga dapat memiliki superfluiditas. Dan kandidat pertama untuk peran seperti itu disebut kristal helium padat, yang terbentuk pada tekanan lebih dari 25 atmosfer.

Kembali pada tahun 2004, fisikawan Amerika dari University of Alberta melaporkan pengamatan eksperimental dari efek yang sama sekali tidak terduga - superfluiditas dalam helium padat. Namun, eksperimen mereka tidak dapat direproduksi di laboratorium lain, akibatnya keandalan hasil pekerjaan ini dipertanyakan. Beberapa saat kemudian, pada tahun 2009, fisikawan dari University of California di Berkeley berhasil mendapatkan gas rubidium dalam keadaan padat superfluida.

Namun, arah ini diakui tidak menjanjikan - faktanya sulit untuk bekerja dengan rubidium. Meskipun kira-kira di tempat ke-20 dalam hal prevalensi di kerak bumi (seperti tembaga, nikel dan seng), namun, di alam logam ini ada dalam keadaan tersebar, tanpa membentuk mineral sendiri dan terjadi terutama bersama-sama dengan unsur alkali lainnya, misalnya dengan kalium. Artinya, cukup sulit untuk menambang, yang membuat semua penelitian dengannya sangat mahal.

Karena itu, para ilmuwan kembali memutuskan untuk kembali ke helium tercinta. Tetapi untuk menyelidiki sifat superfluiditasnya dalam keadaan padat, pertama-tama perlu untuk menumbuhkan kristal yang sama. Pada prinsipnya, ini tidak sulit - untuk ini, Anda hanya perlu membuat tekanan di atas 25 atmosfer dan menurunkan suhu hingga -272 derajat Celcius. Telah berulang kali ditunjukkan bahwa dalam "pembeku" seperti itu, kristal terbentuk dalam hampir detik. Namun, ada "tetapi" lain: ketika kristal helium tumbuh di hadapan gravitasi, mereka mudah berubah bentuk. Dan ini sangat mempengaruhi semua sifat mereka, termasuk superfluiditas.

Dan baru-baru ini, para ilmuwan dari Jepang telah mengusulkan cara yang sangat orisinal untuk mengatasi masalah ini - Anda hanya perlu menumbuhkan kristal dalam gravitasi nol! Selain itu, sama sekali tidak perlu melakukan ini di luar angkasa - para peneliti menggunakan pesawat jet kecil untuk eksperimen mereka. Lagi pula, dengan lintasan gerak tertentu, misalnya, dalam penerbangan parabola, pesawat ini bisa berada dalam gravitasi nol selama 20 detik, yang cukup untuk menumbuhkan kristal normal. Hasilnya, dalam 20 jam penerbangan, fisikawan berhasil melakukan sebanyak delapan eksperimen!

Eksperimennya seperti ini: pertama, kristal primer ditumbuhkan menggunakan teknologi standar, dan kemudian mereka disemprot dengan "tetesan" helium-4, yang sudah dalam keadaan superfluida. Semua ini terjadi di lemari es on-board khusus. Kristal helium besar ditempatkan di ruang bertekanan rendah dan kemudian dihancurkan dengan gelombang akustik untuk memecahnya menjadi potongan-potongan kecil. Setelah mereka disemprot dengan helium-4 superfluida, kristal yang lebih kecil meleleh, sedangkan yang lebih besar tumbuh dengan cepat, akhirnya mencapai ukuran sekitar 10 mm.

Hasilnya, para peneliti dapat mengamati sepenuhnya proses pembentukan kristal. Menariknya, itu mirip dengan fenomena yang disebut pematangan Ostwald. Ini dapat diamati dalam kehidupan sehari-hari pada contoh es krim: seiring waktu, kristal es yang lebih besar di dalamnya menempelkan yang kecil ke diri mereka sendiri, dan sebagai hasilnya, seluruh produk menjadi keras dan renyah. Tetapi dalam hal ini, pematangan Oswald cukup lambat, tetapi dengan helium, efeknya ternyata sangat cepat - prosesnya memakan waktu beberapa detik.

"Kristal helium dapat tumbuh sangat cepat dari materi superfluida. Ini adalah bahan yang ideal untuk mempelajari sifat dasar kristal tersebut, karena mereka terbentuk sangat, sangat cepat," kata Profesor Nomura Ryuji, penulis utama studi tersebut. Sekarang fisikawan akhirnya berhasil menumbuhkan kristal helium padat yang sempurna, adalah mungkin untuk mencoba mengujinya untuk superfluiditas.

Ngomong-ngomong, para ilmuwan Amerika yang menemukan properti ini pada tahun 2004, sebagai tanggapan atas kritik terhadap karya tersebut, menunjukkan bahwa lawan mereka tidak berhasil karena fakta bahwa kristal yang mereka gunakan berubah bentuk. Sekarang para peneliti Jepang akan dapat memeriksa ulang hasil rekan-rekan mereka menggunakan kristal yang sudah benar-benar normal yang ditanam di gravitasi nol ...

© V.I. Strelov, B.G. Zakharov
© Museum Negara Sejarah Kosmonotika. K.E. Tsiolkovsky, Kaluga
Bagian "K.E. Tsiolkovsky dan masalah produksi ruang angkasa"
2008

Analisis hasil percobaan pada kristal tunggal semikonduktor yang tumbuh di bawah kondisi gayaberat mikro nyata di atas pesawat ruang angkasa menunjukkan bahwa, dalam hal totalitas properti, kristal yang diperoleh dalam percobaan luar angkasa tidak lebih baik daripada yang diperoleh dalam kondisi terestrial. Sebagai aturan, mereka memiliki mikroinhomogenitas yang signifikan (pita pertumbuhan) atau makroinhomogenitas dalam distribusi dopan pada diameter dan panjang ingot, yang asalnya hanya dapat dikaitkan dengan perubahan sifat dan peningkatan intensitas konveksi dalam lelehan. Oleh karena itu, untuk mencapai homogenitas yang tinggi dari sifat-sifat kristal yang tumbuh, perlu untuk menyediakan kondisi untuk panas difusi dan perpindahan massa dalam lelehan.

Kondisi ini dan parameter pembatas kristal yang diharapkan dapat diperoleh:

- dengan tidak adanya konveksi termogravitasi,

- dengan pengecualian permukaan bebas lelehan,

– sambil meminimalkan efek kuasi-statis eksternal pada lelehan, yang, dalam kondisi gayaberat mikro, menyebabkan aliran konvektif paksa di dalamnya karena meningkatnya sensitivitas gravitasi lelehan dan, karenanya, ketidakhomogenan komposisi dan sifat kristal yang tumbuh.

Hanya di bawah kondisi difusi panas dan perpindahan massa akan pertumbuhan bebas kristal terjadi di bawah kondisi suhu yang stabil melalui self-organisasi atom, dan homogenitas komposisi dan sifat pada tingkat ini akan dipastikan. Di bawah kondisi ini, dimungkinkan untuk mendapatkan sampel referensi atau sampel kerja individu, di mana tidak hanya parameter kristal yang akan ditentukan, tetapi sampel perangkat optoelektronik dengan parameter maksimum yang dapat dicapai dapat dibuat pada mereka. Namun, kondisi tersebut saat ini sulit untuk diterapkan.

Oleh karena itu, tugas utama teknologi ruang angkasa bukanlah untuk mengatur produksi massal kristal dari lelehan di ruang angkasa, tetapi untuk menggunakan pengetahuan baru tentang proses kristalisasi yang diperoleh di ruang angkasa dalam teknologi terestrial dengan perkiraan maksimum ke kondisi yang memastikan minimalisasi proses konveksi. .

Teknologi instrumentasi modern membutuhkan kristal doping yang sangat seragam dengan diameter beberapa ratus milimeter. Pada saat yang sama, budidaya mereka membutuhkan instalasi multi-ton, yang tidak realistis dan tidak perlu menempatkannya di luar angkasa, terutama ketika mereka memiliki alternatif di Bumi dengan meminimalkan proses konveksi dalam pencairan. Sebagai berikut dari analisis studi eksperimental dan teoretis tentang proses perpindahan panas dan massa dalam lelehan semikonduktor, ini adalah masalah teknis murni: pertama-tama, ini adalah minimalisasi gradien suhu radial, akurasi orientasi arah kristalisasi, dan tidak adanya permukaan lelehan yang bebas.