Первые эксперименты по получению материалов в космосе начались 50 лет назад. За прошедшие годы основные методики и подходы к данным исследованиям не претерпели больших изменений, но цели работ, лежащих в этом русле, стали совсем другими: от поиска новых термостойких металлов учёные перешли к полупроводниковым кристаллам для солнечной энергетики. К очередному эксперименту из этой серии готовятся исследователи из совместно с коллегами из Университета Хьюстона (University of Houston): на борту Международной космической станции (МКС) они хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей.

Полупроводниковые кристаллы – это основа всей электроники, и, конечно, существует масса методов их получения в земных условиях. К сожалению, все они обладают общими недостатками: выращенные кристаллы часто оказываются неоднородными, слишком маленькими или испорченными посторонними примесями. Причин на то много, но среди них существует одна наиболее общего характера – сила притяжения. В земных условиях гравитация порождает явление термогравитационной конвекции, перемешивания жидкости под действием разности температур в поле тяготения. В условиях же космической невесомости роль этого фактора значительно спадает, и становится возможным получать полупроводниковые кристаллы более чистой структуры и совершенного состава.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина , в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Один из самых ярких подобных опытов был проведён самими авторами обзорной статьи. Полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) были перекристаллизованы в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут.

Очередной эксперимент по получению полупроводниковых кристаллов в космосе планируется провести уже в 2013 году. На борту МКС исследователи хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей – так уже отработанные методики находят новые практические приложения. При этом результаты подобных, несколько экзотических экспериментов помогают и совершенствованию наземных технологий.

Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ «Космическое материаловедение» . Публикация размещена на страницах журнала «Физика твёрдого тела» . Материалами для обзора послужили как многочисленные результаты исследований самих авторов, так и наиболее яркие работы их зарубежных коллег.

Выращивание полупроводниковых кристаллов в космосе

Полупроводниковые кристаллы – это основа всей электроники, и, конечно, существует масса методов их получения в земных условиях. К сожалению, все они обладают общими недостатками: выращенные кристаллы часто оказываются неоднородными, слишком маленькими или испорченными посторонними примесями. Причин на то много, но среди них существует одна наиболее общего характера – сила притяжения. В земных условиях гравитация порождает явление термогравитационной конвекции, перемешивания жидкости под действием разности температур в поле тяготения. В условиях же космической невесомости роль этого фактора значительно спадает, и становится возможным получать полупроводниковые кристаллы более чистой структуры и совершенного состава.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина, в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Используя этот подход были перекристаллиизованы полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут. Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ (Физика твёрдого тела, 2012, том 54, выпуск 7).

Успешно совершившим свою исследовательскую миссию весной 2013 года, настала очередь "Фотона". Внешне космические аппараты - братья-близнецы. Но по научным задачам различаются. "Фотон-М" под номером 4 предназначен для проведения на орбите экспериментов в сфере космических технологий по производству полупроводников в условиях микрогравитации, биотехнологий для получения новых знаний по физике невесомости. "Фотон" отправится на орбиту через неделю.

В повседневной жизни мы даже не задумываемся, что соль, сахар, металлы, драгоценные камни — все это кристаллы. Сегодня без них не обходится ни один электронный прибор.

"Первая космическая установка по выращиванию кристаллов. В 1976 году на станции "Салют-5" на ней выращивали алюмокалиевые кристаллы. Никаких особых условий для их выращивания не требовалось, ни специальных температур, ни давления, ученым необходимо было посмотреть, как влияет отсутствие гравитации на кристаллическую решетку. И, кажется, с тех времен здесь еще что-то осталось", — рассматривает содержимой космической установки по выращиванию кристаллов Ксения Зима.

Исследования по выращиванию кристаллов на орбите показали, лучше всего там растут белки.

" , одна из задач - получить кристалл очень чистый, получить однородный кристалл. Для белков подавление конвекции - это благоприятный фактор. В космосе подавляется движение жидкости, поэтому там они лучше растут", — поясняет заместитель директора Института кристаллографии РАН Алексей Волошин.

На Байконуре завершилась установка научного оборудования в космический аппарат "Фотон-М". Старт — в ближайшее время. На борту спутника — приборы для десятков экспериментов по кристаллографии, материаловедению, биологии, микробиологии. И это лишь часть направлений. Словом, "Фотон" - кластер научных идей.

"Уникальность в том, что предыдущие "Фотоны" у нас больше чем на 20 суток не летали. Этот полет планируется на 60 суток. Это первое. Второе, на этом космическом аппарате имеется двигательная установка, мы можем поднимать аппарат на более высокую орбиту. Мы будем летать на высоте 500 километров", — отметил начальник отдела ракетно-космического центра "ЦСКБ-Прогресс" Валерий Абрашкин.

Чем выше, тем лучше, утверждают ученые. 500 километров - ближний космос: уже не так сильно влияет атмосфера, очень слабая гравитация, а значит, и чистота экспериментов будет высокой.

"На этом космическом аппарате у нас летит 22 типа аппаратуры. На каждой аппаратуре — несколько экспериментов. То есть мы постарались скомпоновать космический аппарат таким образом, чтобы ученые различных направлений исследований могли поставить свои эксперименты и получить нужную научную информацию", — продолжил Валерий Абрашкин.

Внешне "Фотон" похож на научный биологический аппарат "Бион". Братья-близнецы. Круглая капсула, которая и наполняется научными приборами. При возвращении из космоса она не сгорает в атмосфере, все эксперименты возвращаются на Землю.

В отличие от "Фотона" на биоспутниках есть система жизнеобеспечения. Поддерживается определенная температура, давление, уровень кислорода, так как основные пассажиры "Биона" - живые организмы. "Фотоны" пассажиров не возят, на них ученые проводят технологические эксперименты.

"Полезная нагрузка — одно из устройств кристаллизации белков, которые полетят на "Фотоне". Устройство основано на принципе встречной диффузии жидкости", — говорит Алексей Волошин.

Именно на орбите удается получить более точные белковые структуры. Для фармацевтов это большая помощь в создании новых эффективных лекарств.

"Если это белок какой-то вредной бактерии, то подбирают вещество, которое должно подавить структуру этого белка. Если белок выполняет полезную функцию, подбирают вещество, которое должно усилить эту функцию", — рассказывает о сути экспериментов замдиректора Института кристаллографии РАН Алексей Волошин.

В другой лаборатории работают настоящие стоматологи. Пломбируют лунки базальтов, в которых находятся микроорганизмы. Пластины с микробами прикрепят на внешнюю сторону корабля "Фотон".

Бактериям предстоит выдержать космическую радиацию, а при возвращении - высокие температуры. Если не погибнут - у сторонников теории панспермии — что жизнь на Земле посеяли метеориты - появится веский аргумент.

"После посадки разогретый базальт вынимается и дальше смотрят — выжили ли микроорганизмы. Так проверяется теория панспермии", — рассказывает замдиректора Института медико-биологических проблем РАН Владимир Сычев.

Микробов подбирали особых, которые выдержат гигантские температуры в сотни градусов. Правда, у иностранных коллег подобный эксперимент не получился - бактерии погибли. Однако отрицательный результат только вдохновил наших микробиологов.

"Мы, вдохновленные опытом европейских коллег, решили расширить спектр микроорганизмов. Вместе с Институтом микробиологии РАМН создали коллекцию тех культур и ассоциаций, которые именно могли быть внесены на Землю в составе метеоритов", — рассказал заведующий лабораторией Института медико-биологических проблем РАН Вячеслав Ильин.

Впервые на этом "Фотоне" будет нарушено главное правило: животных не возить. На космическом аппарате в своей специально оборудованной каюте.

"Этот вид обитает на острове Маврикий, основные причины, по которым был выбран этот вид, небольшие размеры, а самая главная причина, что этот вид может обходиться без живого корма, что позволит им в течение 2 месяцев прекрасно существовать", — подчеркивает ведущий научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН Рустам Бердиев.

Главная особенность этих животных, которая и привлекла ученых, гекконы могут цепляться к любой поверхности. Поэтому в невесомости они не летают, а живут своей привычной жизнью и прекрасно себя чувствуют. Ну, если только во время старта их немного подбросит.

"Они фиксируются на поверхности, их много видов, у кого-то на лапках есть присоски специальные или маленькие крючочки, они прилипают к любой поверхности, для них поверхность важнее, чем гравитация. Они прилипают к поверхности стенок и не испытывают стресса флотации. А раз так, мы впервые в истории смогли избавиться от стресса", — подчеркнул заведующий лабораторией НИИ морфологии человека Сергей Соловьев.

Многочисленные эксперименты на гекконах подсказали ученым, как бороться с негативным влиянием невесомости на людей. От долгого пребывания на орбите у космонавтов вымывается кальций из организма. У гекконов такого не наблюдалось.

"Оказалось, что классическая модель - это деминерализация скелета, оказалось, гекконы, которые могут крепиться к поверхности. Это избавляет их кости от деминерализации. Гекконы показали путь, по которому надо развиваться дальше, чтобы снижать деминерализацию скелета космонавтов", — отмечает Сергей Соловьев.

Отправлять в космос аппараты только ради науки начали 40 лет назад. С тех пор были запущены десятки спутников. На орбите бывали обезьяны, мыши, рыбки. И каждый такой полет - еще один шаг к заветной мечте человечества — межпланетным перелетам.

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 ТЕХНОЛОГИИ

Во-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.

© В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского , г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2008 г.

Анализ результатов экспериментов по выращиванию монокристаллов полупроводников в реальных условиях микрогравитации на борту космических аппаратов показывает, что по совокупности свойств полученные в космических экспериментах кристаллы были не лучше полученных в земных условиях. Они имели, как правило, или значительную микронеоднородность (полосы роста), или макронеоднородность распределения легирующей примеси по диаметру и длине слитков, происхождение которых может быть связано только изменением характера и возрастанием интенсивности конвекции в расплаве. Поэтому, для достижения высокой однородности свойств выращиваемых кристаллов необходимо в расплаве обеспечить условия диффузионного тепломассопереноса.

Эти условия и ожидаемые предельные параметры кристаллов могут быть получены:

– при отсутствии термогравитационной конвекции,

– при исключении свободной поверхности расплава,

– при минимизации внешних квазистатических воздействий на расплав, вызывающих в условиях микрогравитации из-за возрастающей гравитационной чувствительности расплавов вынужденные конвективные течения в них и, соответственно, неоднородность состава и свойств выращиваемых кристаллов.

Только в условиях диффузионного тепломассопереноса свободный рост кристаллов будет происходить в стабильных температурных условиях путем самоорганизации атомов и будут обеспечиваться однородность состава и свойств на этом уровне. В этих условиях можно получить эталонные образцы или отдельные рабочие образцы, на которых будут не только определены параметры кристаллов, но на них могут быть изготовлены образцы оптоэлектронных приборов с предельно достижимыми параметрами. Однако в настоящее время эти условия трудно реализуемы.

Поэтому основная задача космических технологий заключается не в организации серийного производства в космосе кристаллов из расплава, а в использовании новых знаний о процессах кристаллизации, получаемых в космосе, в земных технологиях с максимальным приближением к условиям, обеспечивающим минимизацию конвективных процессов.

Для современных приборных технологий требуются высокооднородные легированные кристаллы диаметром несколько сотен миллиметров. При этом для их выращивания необходимы многотонные установки, которые нереально и нет необходимости располагать в космосе, тем более, когда им есть альтернатива на Земле за счет минимизации конвективных процессов в расплавах. Как следует из анализа экспериментальных и теоретических исследований процессов тепломассопереноса в расплавах полупроводников, это проблема чисто техническая: прежде всего это минимизация радиального градиента температуры, точность ориентации направления кристаллизации и отсутствие свободной поверхности расплава.