O crescimento de cristais homogêneos de soluções sólidas de compostos A2B6 e A3B5 é considerado uma das áreas promissoras da ciência dos materiais espaciais. Este método já foi usado para crescer cristais no espaço.

No entanto, mesmo aqui, em alguns casos, foi observada uma grande heterogeneidade das propriedades dos cristais crescidos. Atualmente, pesquisas nesse sentido continuam no exterior. Em particular, um extenso programa de pesquisa teórica e experimentos terrestres está sendo realizado no Japão para preparar experimentos espaciais para obter cristais homogêneos de In1-xGaxAs e Cd1-xZnxTe no módulo ISS japonês. Experimentos semelhantes são planejados por cientistas europeus no âmbito do programa MAP. Portanto, o experimento planejado VAMPIR corresponde às últimas tendências da ciência dos materiais espaciais.

INTRODUÇÃO

Hoje, muitas conquistas da astronáutica são amplamente utilizadas em diversos ramos da economia nacional. O uso de satélites artificiais da Terra para as necessidades de comunicações, televisão, meteorologia, cartografia, navegação, para o estudo dos recursos naturais, no interesse da geologia, agricultura, silvicultura e pesca entrou firmemente nas atividades diárias da humanidade. No entanto, a melhoria contínua das instalações espaciais abre cada vez mais novas possibilidades de aplicação na economia e na ciência nacional. Uma das áreas promissoras da cosmonáutica é a produção de novos materiais por osmose. Uma solução prática para este importante problema científico e técnico tornou-se possível nos últimos anos graças ao sucesso alcançado na criação de estações orbitais tripuladas de longo prazo e veículos de transporte projetados para levar os astronautas a essas estações e retornar à Terra junto com os consumíveis necessários (filme fotográfico, combustível, mantimentos e etc.).

A pesquisa no campo da produção de materiais no espaço deve-se ao desejo de usar em processos tecnológicos condições incomuns criadas durante o movimento de naves espaciais em órbitas próximas à Terra: em primeiro lugar, um longo estado de ausência de peso, bem como o ambiente circundante vácuo profundo, altas e baixas temperaturas e radiação cósmica.

Sob condições de ausência de peso, vários processos físicos conhecidos procedem de maneira diferente das condições terrestres que nos são familiares (sob a influência da gravidade). Assim, na ausência de peso não há força de Arquimedes, que em condições terrestres ordinárias causa a estratificação de substâncias líquidas com densidades diferentes, a convecção natural é enfraquecida, o que em condições terrestres leva à mistura de camadas de líquidos e gases com temperaturas diferentes. Isso abre possibilidades fundamentais tanto para obter materiais qualitativamente novos em gravidade zero quanto para melhorar as propriedades dos materiais existentes.

Na ausência de peso, é possível a retenção sem recipiente de metal líquido no espaço, devido ao qual é possível evitar sua contaminação devido à entrada de impurezas das paredes do recipiente e, como resultado, obter substâncias ultrapuras. Na ausência de peso, o comportamento dos líquidos é determinado pelas forças de tensão superficial, e isso deve ser levado em consideração mesmo ao realizar processos tecnológicos comuns como soldagem, soldagem, fusão, etc.

Na URSS, os primeiros experimentos tecnológicos foram realizados em 1969. A bordo da espaçonave tripulada Soyuz-6 em condições de ausência de gravidade prolongada, o cosmonauta-piloto da URSS V.N. E. O. Paton, da Academia de Ciências da RSS da Ucrânia, elaborou vários métodos de soldagem de metais. A possibilidade prática de realizar várias operações de soldagem em condições espaciais foi confirmada. Experimentos tecnológicos foram realizados em 1975 durante o voo da estação orbital Salyut-4, bem como durante o voo conjunto das espaçonaves Soyuz e Apollo. Alguns experimentos tecnológicos foram realizados em foguetes de alta altitude lançados verticalmente durante seu vôo passivo (com motores desativados) nas camadas superiores da atmosfera (neste caso, o estado de ausência de peso é garantido por um curto período de tempo - cerca de dez minutos).

Um novo passo para a criação das bases científicas da produção espacial foi dado durante o voo da estação científica orbital Salyut-5, quando os pilotos-cosmonautas da URSS B.V. Voltov, V.M. Zholobov, V.V. Gorbato e Yu.N. Glazkov realizaram uma ciclo de experimentos tecnológicos utilizando um conjunto de instrumentos "Crystal", "Flow", "Sphere", "Diffusion" e "Reaction".

A pesquisa em tecnologia espacial também está sendo realizada nos Estados Unidos e em outros países. Vários experimentos tecnológicos foram realizados nas espaçonaves Apollo 14, -16, -17, na estação orbital Skylab, durante o lançamento dos foguetes de alta altitude Black Brant.

Esta brochura fornece uma visão geral do estado atual da pesquisa no campo da tecnologia espacial e da produção espacial. Fala sobre áreas promissoras de produção espacial, como obtenção de metais, materiais semicondutores, vidro óptico, cerâmica, preparações biomédicas, etc.

Condições físicas a bordo da nave espacial

Durante o vôo da espaçonave em órbitas próximas à Terra, surgem condições a bordo que uma pessoa geralmente não encontra na Terra. A primeira delas é a ausência de peso prolongada.

Como você sabe, o peso de um corpo é a força com que ele atua sobre um suporte. Se tanto o corpo quanto o suporte se movem livremente sob a ação da gravidade com a mesma aceleração, ou seja, caem livremente, então o peso do corpo desaparece. Esta propriedade dos corpos em queda livre foi estabelecida por Galileu. Ele escreveu: “Sentimos uma carga em nossos ombros quando tentamos evitar sua queda livre. Mas se começarmos a descer com a mesma velocidade que a carga que está em nossas costas, então como ela pode nos pressionar e sobrecarregar? É como se quiséssemos acertar com uma lança alguém que corre à nossa frente com a mesma velocidade com que a lança se move.

Quando uma espaçonave se move na órbita da Terra, ela está em queda livre. O aparelho cai o tempo todo, mas não consegue atingir a superfície da Terra, pois lhe é dada tal velocidade, que o faz girar infinitamente em torno dele (Fig. 1). Esta é a chamada primeira velocidade cósmica (7,8 km/s). Naturalmente, todos os objetos a bordo do aparelho perdem peso, ou seja, um estado de ausência de peso se instala.

Arroz. 1. O surgimento da ausência de peso em uma espaçonave

O estado de ausência de peso também pode ser reproduzido na Terra, mas apenas por curtos períodos de tempo. Para fazer isso, por exemplo, são usadas torres de leveza - estruturas altas, dentro das quais um contêiner de pesquisa cai livremente. A mesma condição também ocorre a bordo de aeronaves voando com os motores desligados ao longo de trajetórias elípticas especiais. Nas torres, o estado de ausência de peso dura alguns segundos, enquanto nos aviões dura dezenas de segundos. A bordo da espaçonave, esse estado pode continuar por um tempo arbitrariamente longo.

Este estado de total ausência de peso é uma idealização das condições que realmente existem durante o voo espacial. Na verdade, este estado é violado devido a várias pequenas acelerações que atuam na espaçonave durante o vôo orbital. De acordo com a 2ª lei de Newton, o aparecimento de tais acelerações significa que pequenas forças de corpo começam a agir em todos os objetos na espaçonave e, consequentemente, o estado de ausência de peso é violado.

As pequenas acelerações que atuam na espaçonave podem ser divididas em dois grupos. O primeiro grupo inclui acelerações associadas a uma mudança na velocidade do próprio aparelho. Por exemplo, devido à resistência das camadas superiores da atmosfera, quando o aparelho se move a uma altitude de cerca de 200 km, ele experimenta uma aceleração da ordem de 10 -5 g 0 (g 0 é a aceleração da gravidade próxima à Superfície da Terra, igual a 981 cm/s 2). Quando os motores são ligados na espaçonave para transferi-la para uma nova órbita, ela também experimenta o efeito das acelerações.

O segundo grupo inclui acelerações associadas a uma mudança na orientação da espaçonave no espaço ou a deslocamentos de massa a bordo. Essas acelerações ocorrem durante a operação dos motores do sistema de controle de atitude, durante os movimentos dos astronautas, etc. Normalmente, a magnitude das acelerações criadas pelos motores de atitude é de 10–6 - 10–4 g 0 . As acelerações decorrentes de diferentes atividades dos astronautas situam-se na faixa de 10 -5 - 10 -3 g 0 .

Ao falar sobre ausência de gravidade, os autores de alguns artigos populares sobre tecnologia espacial usam os termos "microgravidade", "mundo sem gravidade" e até "silêncio gravitacional". Como no estado de ausência de peso não há peso, mas há forças gravitacionais, esses termos devem ser reconhecidos como errôneos.

Vamos agora considerar outras condições que existem a bordo de naves espaciais durante seu vôo ao redor da Terra. Em primeiro lugar, é um vácuo profundo. A pressão da atmosfera superior a uma altitude de 200 km é de cerca de 10-6 mm Hg. Art., e a uma altitude de 300 km - cerca de 10 -8 mm Hg. Arte. Tal vácuo também pode ser obtido na Terra. No entanto, o espaço aberto pode ser comparado a uma bomba de vácuo de enorme capacidade, capaz de bombear gás muito rapidamente de qualquer recipiente de uma espaçonave (para isso, basta despressurizá-lo). Neste caso, porém, é necessário levar em consideração a ação de alguns fatores que levam a uma deterioração do vácuo próximo à espaçonave: vazamento de gás de suas partes internas, destruição de suas conchas sob a influência da radiação solar, poluição de o espaço circundante devido ao funcionamento de motores de sistemas de orientação e correção.

Um esquema típico do processo tecnológico para a produção de qualquer material é o fornecimento de energia à matéria-prima inicial, o que garante a passagem de certas transformações de fase ou reações químicas, que levam ao produto desejado. A fonte de energia mais natural para o processamento de materiais no espaço é o Sol. Em órbita próxima à Terra, a densidade de energia da radiação solar é de cerca de 1,4 kW/m 2 e 97% desse valor está na faixa de comprimento de onda de 3 × 10 3 a 2 × 10 4 ?. No entanto, o uso direto da energia solar para aquecimento de materiais está associado a uma série de dificuldades. Primeiro, a energia solar não pode ser usada em uma seção escura da trajetória da espaçonave. Em segundo lugar, é necessário fornecer uma orientação constante dos receptores de radiação para o Sol. E isso, por sua vez, complica a operação do sistema de controle de atitude da espaçonave e pode levar a um aumento indesejável nas acelerações que violam o estado de ausência de peso.

Quanto a outras condições que podem ser implementadas a bordo de naves espaciais (baixas temperaturas, utilização de uma componente dura da radiação solar, etc.), não está actualmente prevista a sua utilização no interesse da produção espacial.

O comportamento da matéria na ausência de peso

Estados agregados e de fase da matéria. Ao considerar as características do comportamento da matéria em condições espaciais, conceitos como agregados e estados de fase, fase e componentes são frequentemente usados. Vamos definir esses conceitos.

Os estados agregados da matéria diferem na natureza do movimento térmico de moléculas ou átomos. Geralmente eles falam sobre três estados de agregação - gasoso, sólido e líquido. Nos gases, as moléculas quase não são ligadas por forças atrativas e se movem livremente, preenchendo todo o vaso. A estrutura dos sólidos cristalinos é caracterizada por alta ordem - os átomos estão localizados nos nós da rede cristalina, perto dos quais realizam apenas vibrações térmicas. Como resultado, os corpos cristalinos têm uma forma estritamente limitada e, quando você tenta alterá-la de alguma forma, surgem forças elásticas significativas que neutralizam essa mudança.

Junto com os cristais, outro tipo de sólidos também é conhecido - corpos amorfos. A principal característica da estrutura interna dos sólidos amorfos é a falta de ordem completa: apenas no arranjo dos átomos vizinhos é observada a ordem, que é substituída por um arranjo caótico deles em relação uns aos outros a distâncias maiores. O exemplo mais importante de um estado amorfo é o vidro.

A mesma propriedade - ordem de curto alcance no arranjo de átomos vizinhos - é possuída por uma substância em estado líquido de agregação. Por esse motivo, uma mudança no volume de um líquido não causa o aparecimento de forças elásticas significativas e, em condições normais, o líquido assume a forma do recipiente em que está localizado.

Se uma substância consiste em vários componentes (elementos químicos ou compostos), suas propriedades dependem da concentração relativa desses componentes, bem como da temperatura, pressão e outros parâmetros. Para caracterizar o produto final resultante de tal combinação de componentes, utiliza-se o conceito de fase. Se a substância em questão consiste em partes homogêneas limítrofes entre si, cujas propriedades físicas ou químicas são diferentes, essas partes são chamadas de fases. Por exemplo, uma mistura de gelo e água é um sistema bifásico, e a água na qual o ar está dissolvido é um sistema monofásico, pois neste caso não há interface entre os componentes.

Estado de fase - um conceito baseado na representação estrutural do termo "fase". O estado de fase de uma substância é determinado apenas pela natureza do arranjo mútuo de átomos ou moléculas, e não por seu movimento relativo. A presença de ordem de longo alcance (ordem completa) corresponde ao estado de fase cristalina, ordem de curto alcance - ao estado de fase amorfa, a ausência completa de ordem - ao estado de fase gasosa.

O estado de fase não coincide necessariamente com o estado de agregação. Por exemplo, um estado de fase amorfa corresponde a um estado líquido comum de agregação e um estado vítreo sólido. O estado sólido de agregação corresponde a duas fases - cristalina e amorfa (vítrea).

Arroz. 2. Diagramap-t equilíbrio de um sistema de um componente

A transição de uma substância de um estado de fase para outro é chamada de transição de fase ou transformação. Se duas ou mais fases diferentes de uma substância a uma dada temperatura e pressão existem simultaneamente, em contato uma com a outra, então elas falam de equilíbrio de fases. Na fig. Como exemplo, a Figura 2 mostra o diagrama de equilíbrio de fase de um sistema de um componente plotado nas coordenadas de pressão ( R) - temperatura ( T). Aqui está a isóbara (ou seja, uma linha reta de pressão constante) ah corresponde às transições diretas sólido-líquido (fusão e solidificação) e líquido-gás (evaporação e condensação), isóbaro s-s- transição sólido - gás (sublimação), e a isóbara em-in- a coexistência de todas as três fases no chamado ponto triplo, em determinados valores R e T.

Efeito da ausência de peso no líquido. Como a gravidade afeta o comportamento da matéria em vários estados de agregação? Nos sólidos, os átomos e as moléculas estão dispostos em uma ordem estritamente definida, e a força da gravidade não pode ter um efeito significativo nos processos que ocorrem nesse estado.

Essa força pode afetar os processos em gases de forma mais significativa. Sabe-se, por exemplo, que sob condições de aquecimento desigual de várias camadas de gás na atmosfera, a convecção livre surge sob a ação da gravidade, ou seja, uma troca ordenada de gás entre essas camadas. Sob condições de ausência de peso, este efeito pode não ocorrer.

Mas a força gravitacional tem um efeito particularmente forte no líquido. Durante a transição para a ausência de peso no líquido, a força de Arquimedes desaparece, atuando em componentes de diferentes densidades e levando à sua separação, a natureza dos fluxos de convecção muda, o papel relativo das interações intermoleculares no líquido aumenta e torna-se possível retê-lo fora da embarcação (fenômeno de levitação). Por essas razões, vamos considerar com mais detalhes os processos que ocorrem em um líquido.

Como em um gás, as moléculas em um líquido não mantêm uma posição constante, mas se movem de um lugar para outro devido à energia térmica. Se em qualquer ponto do líquido predominam partículas do mesmo tipo, devido a colisões mais frequentes entre si, elas se movem gradualmente para uma zona onde sua concentração é menor. Esse processo é chamado de difusão. Devido à difusão ao longo do tempo t partículas são deslocadas por uma distância X = (2Dt) 1/2 , onde D- coeficiente de difusão. Se considerarmos as partículas como esferas com um raio r, então D = C · (?? r) -1 . Aqui C- energia térmica das partículas, ? é a viscosidade de um líquido, que é altamente dependente de sua temperatura. Quando o líquido é resfriado, a viscosidade aumenta e, consequentemente, os processos de difusão diminuem.

Se a mudança na concentração de partículas do mesmo tipo à distância ? x dentro do líquido é ? com, então o número de partículas deve passar por uma unidade de área em 1 s EU = - D? c/? x.

Um líquido pode conter vários componentes ao mesmo tempo. Se o conteúdo de um dos componentes for baixo, esse componente é considerado uma impureza. Se no momento inicial a impureza é distribuída de forma desigual no líquido, então os processos de difusão no líquido levam ao estabelecimento de uma distribuição uniforme (homogeneização).

Em alguns casos, o líquido pode conter componentes de diferentes densidades. Na Terra, sob a ação da força de Arquimedes, esses componentes são gradualmente separados (por exemplo, creme e leite desnatado são formados a partir do leite). Na ausência de peso, essa separação não existe e, após a solidificação de tais líquidos, podem ser obtidas substâncias com propriedades únicas. O líquido também pode conter fases imiscíveis entre si, como querosene e água. Na Terra, limites claros são formados entre eles. Na ausência de peso, por mistura, pode-se obter uma mistura estável composta por pequenas gotas de uma ou outra fase. Após o endurecimento, materiais compósitos homogêneos, metais de espuma, etc. podem ser obtidos a partir dessas misturas de diferentes fases.

O aparecimento de interfaces entre diferentes fases em um líquido é devido à presença de uma força de tensão superficial, ou força capilar, que surge devido à interação entre as moléculas do líquido. A tensão superficial pode ser comparada à força que retorna uma corda ao seu estado original quando um jogador tenta puxá-la para o lado. É a força da tensão superficial que faz com que as gotas caiam de uma torneira mal fechada, e não um fio fino de água. Mas na Terra, essas gotas são pequenas: a força da gravidade é muito maior que as forças da tensão superficial e as quebra em pedaços muito grandes. Na ausência de peso, nada pode impedir a formação de gotas muito grandes, e um corpo líquido, deixado a si mesmo, assumirá uma forma esférica.

De fato, a bordo da espaçonave, devido a vários tipos de pequenas acelerações, o estado de ausência de peso é violado. Se um r- o raio da esfera, cuja forma é tomada pelo líquido, então a força capilar que atua sobre ela é aproximadamente igual a? r, Onde? - coeficiente de tensão superficial. A magnitude das forças do corpo de inércia que atuam sobre o líquido é igual a? gr 3 onde? é a densidade do líquido, g- pequena aceleração. Obviamente, os efeitos da tensão superficial terão um papel importante quando? (? gr 2) –1 > 1. Esta condição determina a possibilidade de obter, em estado próximo da ausência de gravidade, esferas líquidas com raio r. Essas esferas líquidas a bordo de naves espaciais podem estar em estado de flutuação livre, quando não são necessárias naves para segurá-las. Se for um líquido derretido, quando se solidificar na Terra, impurezas nocivas vêm das paredes do recipiente. No espaço, você pode ficar sem um recipiente e, portanto, obter substâncias mais puras.

Transferência de calor e massa na ausência de peso. A transição para a ausência de peso também tem um efeito significativo nos processos de transferência de calor e massa em líquidos e gases. O calor pode ser transferido por condução, convecção ou radiação, ou qualquer combinação desses mecanismos. A condutividade térmica é o processo de transferência de calor de uma zona com temperatura mais alta para uma zona onde a temperatura é mais baixa, por difusão de moléculas do meio entre essas zonas. Por esta razão, o coeficiente de condutividade térmica é proporcional ao coeficiente de difusão.

A transferência de calor por radiação é típica principalmente para corpos sólidos e líquidos e ocorre em temperaturas suficientemente altas. Os processos de transferência de calor radiante e condutividade térmica não dependem da gravidade ou de pequenas forças de corpo atuando a bordo da espaçonave.

Outra coisa é a transferência de calor por convecção. A convecção é a transferência de calor em um meio líquido ou gasoso pelo movimento macroscópico da substância desse meio. O exemplo mais simples de convecção já foi citado acima - convecção livre (ou natural) decorrente da distribuição desigual de temperatura em um meio sujeito à ação de forças de massa (por exemplo, gravidade ou forças inerciais causadas por pequenas acelerações a bordo da espaçonave). Todos podem observar facilmente esse fenômeno em casa em qualquer caldeira, quando as camadas de líquido com uma temperatura mais alta e, como resultado, uma densidade mais baixa, flutuam e carregam calor com elas e, em seu lugar, no fundo quente da caldeira , camadas mais frias e densas.

O papel relativo da transferência de calor devido à convecção livre e condutividade térmica é determinado pelo número de Rayleigh:

Aqui gé a aceleração que atua no sistema, eué o tamanho característico do sistema, ? - coeficiente de expansão volumétrica, ? T- diferença de temperatura no ambiente, ? - coeficiente de condutividade térmica, ? - viscosidade do meio. Daí segue-se que sob condições que se aproximam da ausência de peso ( g -> 0), Rá-> 0 e, consequentemente, o papel da convecção levando a uma mistura eficiente do meio pode ser desprezado.

Esta conclusão tem um duplo sentido. Primeiro, a contribuição da convecção para os processos de transferência de calor diminui e a transferência de calor é realizada por um processo de condução de calor mais lento. Em segundo lugar, a exclusão de correntes de convecção no meio leva ao fato de que o papel principal na transferência de massa será desempenhado não por deslocamentos macroscópicos de matéria, mas por processos de difusão. E isso, por sua vez, abre a possibilidade de obter substâncias nas quais a distribuição de impurezas será muito mais uniforme do que na Terra.

Além da convecção livre, existem vários outros efeitos de convecção, alguns dos quais dependem das forças do corpo, enquanto outros não. Também é conhecida a convecção forçada, que ocorre sob a influência de algum fator externo (por exemplo, um agitador, bomba, etc.). Em condições de espaço, esse tipo de convecção é usado para garantir a taxa necessária de remoção de calor das unidades operacionais.

Como exemplo de convecção que não depende das forças do corpo, destacamos a convecção termocapilar, que se expressa no fato de que as ondas podem surgir e se propagar na fronteira da fase líquida. As ondas capilares são causadas por quedas de temperatura, devido à presença das quais o valor do coeficiente de tensão superficial não é constante ao longo da superfície. Este tipo de fluxo de convecção obviamente não depende do valor de g e pode levar a uma deterioração da homogeneidade dos materiais obtidos em condições espaciais. Uma maneira de compensar os efeitos prejudiciais desse efeito é reduzir as diferenças reais de temperatura ao longo da interface.

Naves espaciais e equipamentos especiais para produção espacial

Equipamento para experimentos espaciais. Falando sobre o problema da produção de novos materiais no espaço, eles geralmente significam cinco áreas de pesquisa e desenvolvimento:

1. Metalurgia espacial.

2. Materiais semicondutores.

3. Vidro e cerâmica.

4. Preparações médico-biológicas.

5. Estudo dos efeitos físicos na ausência de peso.

As primeiras quatro direções visam diretamente a obtenção de materiais e produtos novos ou melhorados a bordo de naves espaciais (SC). A tarefa da quinta direção é desenvolver a ciência do comportamento da matéria em condições espaciais para criar os fundamentos teóricos da produção espacial.

A realização de pesquisas em todas essas áreas requer o desenvolvimento de instalações especiais a bordo. Portanto, antes de proceder à análise de áreas específicas, é aconselhável considerar como estão as coisas com a criação de equipamentos especiais para experimentos espaciais. Ao mesmo tempo, nesta seção, nos limitamos a considerar os tipos mais universais de instalações que podem ser usadas para resolver vários problemas diferentes. É mais conveniente falar sobre as instalações experimentais que têm um propósito mais restrito ou são projetadas para realizar estudos específicos discutindo esses estudos.

Para todas as direções práticas, com exceção da obtenção de preparações biológicas, o esquema básico do processo de produção é o seguinte. O material inicial (matéria-prima) é submetido a tratamento térmico a bordo da espaçonave, derrete ou evapora. Então endurece. Como este processo ocorre em condições de ausência de peso, pode-se esperar uma melhora nas características do produto final, de acordo com a análise realizada no capítulo anterior. Por essas razões, a principal opção para equipamentos de processamento para o processamento de materiais inorgânicos são instalações de aquecimento de vários tipos.

O calor das reações exotérmicas pode ser usado para aquecer o material de partida. Um aquecedor típico desse tipo consiste em um cartucho cilíndrico preenchido com uma mistura de produtos químicos e uma ampola com o material de teste, que é colocada ao longo do eixo do cartucho. Um impulso elétrico de baixa potência é geralmente usado para iniciar uma reação química. A vantagem de tais instalações é que nelas podem ser obtidas temperaturas relativamente altas em tempos relativamente curtos (segundos ou dezenas de segundos). Portanto, essas instalações de aquecimento são usadas principalmente nos casos em que a duração do estado de ausência de peso é limitada.

Outro tipo de dispositivos de aquecimento para processamento de materiais são os fornos de aquecimento elétrico. São conhecidas várias variantes estruturalmente diferentes de tais fornos. A temperatura de 1200–2400 °C é mantida na zona de trabalho do forno isotérmico. Para reduzir o consumo de energia, esta área é cercada por um isolamento multifolha feito de materiais especiais.

Para crescer cristais, é necessário que o forno tenha uma zona com diferença de temperatura. Na fig. 3 mostra um dos esquemas possíveis de instalações deste tipo. Uma ampola contendo a substância de teste é puxada através da zona com uma diferença de temperatura. No ponto em que se atinge o ponto de fusão, a matéria-prima funde e, quando o material fundido entra na região de temperaturas mais baixas, começa a cristalizar. As instalações existentes deste tipo fornecem uma temperatura de 1050–1150 °C, nas instalações projetadas é suposto aumentá-la para 2000 °C.

Arroz. Fig. 3. Esquema de crescimento de cristais únicos a partir de uma fusão (1 - fusão; 2 - cristal de semente; 3 - mecanismos de tração e rotação; 4 - haste; 5 - cadinho; 6 - indutor para aquecimento da fusão)

A desvantagem de instalações como a mostrada na Fig. 3 é que das paredes da ampola (cadinho) impurezas podem entrar no fundido, poluindo o material resultante e degradando sua qualidade. Na fig. 4 mostra um diagrama de um forno elétrico no qual é utilizado o método de fusão por zona, o que permite eliminar parcialmente esta desvantagem. Nesta instalação, a substância também é submetida a refusão na zona com diferença de temperatura, mas ao mesmo tempo não entra em contato direto com as paredes da ampola. O aquecimento pode ser realizado com correntes de alta frequência, fontes de radiação infravermelha ou fontes de luz de arco equipadas com espelhos de focagem, etc. Neste último caso, a ampola é feita de um material transparente, como o quartzo. O método de fusão por zona também permite obter temperaturas mais altas. A substância fundida não toca as paredes do cadinho e é mantida por forças de tensão superficial. Portanto, as dimensões máximas da zona são determinadas a partir da condição do equilíbrio das forças de massa que atuam sobre o fundido e as forças de tensão superficial. As forças de massa a bordo da espaçonave, devido a pequenas acelerações, são muito menores que a força da gravidade. Isso significa que as dimensões da zona fundida sob condições espaciais e, consequentemente, as dimensões dos cristais obtidos em tais instalações podem ser muito maiores do que na Terra.

Arroz. 4. Método de fusão por zona (1 - zona fundida; 2 - indutor; 3 - parede do forno; 4 - ampola; 5 - haste da substância de teste; 6 - mecanismo para puxar e girar a haste)

Na fig. A Figura 5 mostra um esquema para o crescimento de cristais a partir da fase de vapor. A ampola é colocada em um forno com diferença de temperatura de tal forma que o material de origem fica na zona quente. A transferência de massa é realizada na fase de vapor e, na extremidade fria da ampola, condensa para formar cristais. Métodos de fase de vapor são usados, por exemplo, para obter filmes epitaxiais, que são amplamente utilizados em engenharia elétrica.

A epitaxia é a deposição de filmes monocristais sobre um substrato monocristal. O filme epitaxial, por assim dizer, repete a estrutura do substrato e é algo como um cristal bidimensional. Sua perfeição é determinada, em particular, pelos processos de convecção na fase de vapor. A convecção leva a condições descontroladas na superfície da camada em crescimento e, finalmente, a defeitos de rede. No espaço, pode-se contar com a limitação do papel da convecção e, consequentemente, com a melhoria da qualidade dos materiais obtidos.

Arroz. 5. Esquema de crescimento de cristais da fase de vapor

Anteriormente, observou-se que a contenção de líquidos sem recipiente é possível em condições espaciais. As instalações nas quais esse processo é realizado são chamadas de levitadores. Como acelerações da ordem de 10–5 - 10–4 g 0 atuam a bordo da espaçonave, medidas devem ser tomadas nos levitadores para manter o líquido flutuando livremente no centro da câmara de trabalho. Campos ultrassônicos, confinamento aerodinâmico ou um campo eletromagnético alternado podem ser usados ​​para esta finalidade. Este último método é adequado apenas para materiais condutores e não é adequado, por exemplo, para trabalhar com vidro. Os materiais podem ser aquecidos em um levitador usando aquecedores ópticos, correntes de alta frequência, feixes de elétrons, etc. seu processamento sem contêiner. Levitadores de vários tipos estão atualmente em desenvolvimento.

Experimentos no campo da tecnologia espacial. Os primeiros experimentos espaciais tecnológicos foram realizados em 1969 na União Soviética. Para isso, no Instituto de Soldagem Elétrica com o nome de E. O. Paton desenvolveu uma instalação especial "Vulcão", projetada para estudar e refinar os métodos de soldagem e corte de metais a bordo de naves espaciais. A instalação Vulkan foi colocada a bordo da espaçonave Soyuz-6 e, em 16 de outubro de 1969, a tripulação da nave, os cosmonautas soviéticos G.S. Shonin e V.N. Kubasov, a testaram com sucesso.

Em 1973-1974 uma série de experimentos tecnológicos foi realizada na estação espacial americana "Skylab". Para realizar esses experimentos, uma instalação especial de processamento de materiais foi desenvolvida nos EUA. Essa configuração incluía uma câmara de vácuo, um canhão de elétrons para derreter amostras, um forno de aquecimento elétrico e outros equipamentos. O forno universal desenvolvido para a estação Skylab forneceu uma temperatura máxima de 1050 °C e permitiu a operação em várias condições de temperatura (alta temperatura constante, queda de temperatura ao longo do comprimento da ampola, resfriamento programado). As amostras estudadas foram colocadas em ampolas, que foram instaladas no forno pelos cosmonautas.

O próximo passo no desenvolvimento do trabalho no campo de experimentos tecnológicos no espaço foi o programa conjunto soviético-americano "Soyuz" - "Apollo" (ASTP). Durante o vôo desses navios em julho de 1975, uma série de novos experimentos tecnológicos foram realizados usando um forno elétrico modificado e instalações para pesquisar métodos para obter preparações biomédicas puras.

A realização de experimentos tecnológicos também foi incluída no programa de pesquisa da estação espacial soviética Salyut-5. Para isso, foi desenvolvido um conjunto especial de instrumentos - "Crystal", "Diffusion", "Flow", "Sphere", "Reaction" (Fig. 6), destinados a estudar uma ampla gama de questões no campo das ciências sobre a matéria no espaço, bem como para testar métodos de soldagem em condições espaciais.

Experimentos tecnológicos com esses dispositivos foram realizados com sucesso em julho - agosto de 1976 pelos cosmonautas-piloto da URSS B. V. Voltov e V. M. Zholobov e em fevereiro de 1977 por V. V. Gorbatko Yu. N. Glazkov.

Junto com as pesquisas realizadas a bordo de estações espaciais tripuladas e navios, tanto na União Soviética quanto nos Estados Unidos, experimentos tecnológicos foram realizados automaticamente durante lançamentos de foguetes em grandes altitudes.

Uma característica distintiva desses experimentos é a duração relativamente limitada do estado de ausência de peso (5 a 7 minutos nos foguetes americanos, cerca de 10 minutos nos soviéticos). Portanto, para realizar tais experimentos na União Soviética, foram desenvolvidas instalações nas quais o calor de reações exotérmicas é usado para fundir as amostras.

Nos foguetes americanos de alta altitude, é usado um forno elétrico de ampolas, que não pode fornecer um aquecimento tão rápido dos blanks e que, portanto, deve ser ligado antecipadamente, antes do lançamento do foguete.

A pesquisa sobre foguetes de alta altitude permite que experimentos espaciais sejam realizados mais rapidamente e com equipamentos mais simples e, portanto, devem ser considerados como um complemento útil ao trabalho em estações espaciais e navios.

Arroz. Fig. 6. Dispositivos para realização de experimentos tecnológicos na estação Salyut-5 (a - o dispositivo Crystal; b - o dispositivo Reaction)

Veículos espaciais e módulos tecnológicos. A perspectiva para o desenvolvimento de trabalhos na área de tecnologia de processamento de materiais no espaço é que da pesquisa experimental haja uma transição gradual para a produção semi-industrial a bordo de uma espaçonave de alguns materiais e depois para a produção em escala industrial. De acordo com estimativas estrangeiras, pode-se esperar que até 1990 o fluxo de carga de produtos espaciais, bem como o equipamento necessário, atinja várias dezenas de toneladas por ano.

A criação na URSS da estação orbital de longo prazo "Salyut" e um sistema econômico de suporte de transporte com a ajuda da espaçonave tripulada "Soyuz" e da espaçonave automática "Progress" abre novas grandes oportunidades para a realização de experimentos tecnológicos, testando o equipamentos necessários, além de analisar processos tecnológicos em condições de leveza prolongada.

O desenvolvimento e aprimoramento de complexos tripulados orbitais projetados para resolver problemas de natureza científica e aplicada, como você sabe, é a principal direção no desenvolvimento da cosmonáutica doméstica. Uma das principais tarefas está relacionada com o desenvolvimento das ciências do comportamento da matéria em condições de ausência de peso e com o atendimento das necessidades de produção de materiais no espaço.

No âmbito deste programa, foi realizado na União Soviética o voo mais longo da história da cosmonáutica do complexo de pesquisa orbital Salyut-6 - Soyuz, que durou 96 dias e foi concluído com sucesso em 16 de março de 1978. A bordo Neste complexo, os pilotos-cosmonautas da URSS Yu V. Romanenko, G. M. Grechko, A. A. Gubarev e o piloto-cosmonauta da Tchecoslováquia V. Remek realizaram importantes novos experimentos tecnológicos.

No futuro, à medida que os fluxos de carga aumentarem, os meios de abastecimento dos complexos científicos orbitais serão melhorados. Novos navios de carga aparecerão para entregar equipamentos, instrumentos e espaços em branco de vários materiais para complexos orbitais. Os produtos e materiais obtidos no espaço serão entregues ao espaço e devolvidos à Terra por meio de naves espaciais reutilizáveis.Os complexos orbitais incluirão módulos tecnológicos especializados.

Algumas operações tecnológicas no espaço, como a obtenção de materiais de ultra-alta pureza, exigem o fornecimento de um vácuo profundo. Para isso, em combinação com o DOS, é possível usar a chamada tela molecular, que, usando uma haste especial, é colocada a uma distância de cerca de 100 m do navio. Diâmetro da tela - 3 m.

Como as velocidades do movimento térmico das moléculas do gás residual são menores que a velocidade do movimento para frente da espaçonave junto com a tela em órbita (8 km/s), uma zona de rarefação aumentada aparecerá atrás da tela. A pressão do gás residual nesta zona será de cerca de 10–13 - 10–14 mm Hg. Arte.

O desenvolvimento de naves espaciais de transporte capazes de fornecer transporte econômico, a criação de estações orbitais de longo prazo do tipo das estações espaciais soviéticas Salyut abrem o caminho para a construção de fábricas operacionais no espaço para a produção de materiais puros.

Segundo especialistas, essas fábricas espaciais começarão a operar na década de 1990.

Estudo dos fundamentos físicos da produção do espaço

Processos de transferência de calor e massa. A elucidação das características dos processos de transferência de calor e massa em condições próximas à ausência de peso é necessária para a organização ideal da produção de novos materiais no espaço. Para estudar essas características, são realizados estudos teóricos e experimentais.

Um desses experimentos foi realizado na estação espacial Salyut-5 pelos cosmonautas V. V. Gorbatko e Yu.

Esses estudos na estação Salyut-5 foram realizados usando um dispositivo de difusão especial - o dispositivo era um forno elétrico cilíndrico contendo duas ampolas de quartzo em seu interior, cada uma delas parcialmente preenchida com dibenzil e parcialmente com tolano. Essas substâncias orgânicas têm densidades diferentes e estão em estado cristalino à temperatura ambiente. As ampolas em um forno elétrico cilíndrico foram dispostas de tal forma que uma pequena força de massa, que surgiu devido à desaceleração aerodinâmica da estação, foi direcionada ao longo de seu eixo.

Depois de ligar o dispositivo, ambas as substâncias derreteram e o processo de difusão mútua através da interface entre os derretimentos continuou por três dias. A temperatura ao longo do comprimento das ampolas foi mantida constante. Após desligar o dispositivo, ocorreu o resfriamento e a solidificação da liga, cuja estrutura tinha caráter policristalino.

Para comparar os resultados do experimento espacial com a teoria, foi feito um cálculo computacional do processo de transferência de massa para as condições correspondentes ao experimento com o dispositivo Diffusion. O cálculo mostrou que, como a temperatura permaneceu constante ao longo do comprimento da ampola durante o experimento, não deveria haver convecção térmica, e a convecção de concentração surgindo na interface entre os líquidos teve um efeito perceptível na transferência de massa apenas no estágio inicial de o experimento. Ou seja, de acordo com os cálculos realizados, a principal contribuição para a transferência de massa nas condições estudadas deveria ter vindo de processos puramente de difusão.

Depois que o experimento foi realizado e os astronautas retornaram à Terra, as ampolas entregues do espaço foram cuidadosamente estudadas em laboratório. Estudos da distribuição da substância ao longo do comprimento da ampola permitiram determinar o valor do coeficiente de difusão. Para comparação, experimentos de controle foram realizados na Terra com as mesmas ampolas. Descobriu-se que o valor do coeficiente de difusão determinado sob condições espaciais para uma liga de dibenzil com tolano está próximo do conhecimento teórico (cerca de 9,5 10-6 cm/s 2) e excede um pouco o valor obtido em experimentos de controle na Terra, mas esta discrepância está dentro do erro do método. Deve-se notar também que na Terra não há como reproduzir com precisão a natureza dessas microacelerações que atuaram no derretimento no espaço.

Um experimento semelhante em design também foi realizado na estação espacial Skylab. Em contraste com os estudos realizados na estação Salyut-5, os cientistas americanos não estudaram a difusão mútua de duas substâncias diferentes, mas um caso mais simples - o processo de autodifusão. Para isso, um disco feito do isótopo de zinco radioativo Zn 65 foi inserido em uma haste cilíndrica de zinco. Quando aquecida, a haste derreteu, uma diferença de temperatura foi estabelecida ao longo dela, como resultado do início do processo de difusão do isótopo radioativo no material de base (autodifusão). Assumindo que sob condições espaciais o efeito da convecção na transferência de massa pode ser desprezado e o processo de difusão desempenha o papel principal, a distribuição do isótopo radioativo ao longo do comprimento da haste foi calculada. Os resultados do cálculo estão em boa concordância com os dados do experimento espacial (Fig. 7). Em experimentos de controle realizados com amostras semelhantes na Terra, o coeficiente de difusão efetivo do zinco radioativo devido à convecção acabou sendo 50 vezes maior do que para as condições espaciais.

Arroz. Fig. 7. Distribuição do zinco radioativo ao longo da amostra (o e? - experimentos na Terra para duas posições da amostra, linha sólida - cálculo e experimentos no espaço)

Este experimento, assim como o experimento com o dispositivo "Diffusion", mostrou que para as condições estudadas, a influência da convecção na transferência de massa no fundido pode ser desprezada e que o processo de transferência por difusão desempenha o papel principal. Esta conclusão confirma a possibilidade de obter no espaço materiais cristalinos com estrutura homogênea, que, em condições terrestres, é perturbado, em particular, por correntes de convecção. No entanto, nem sempre é possível concretizar esta possibilidade na prática e garantir a produção de materiais com uma distribuição mais uniforme das impurezas no espaço.

Consideremos como exemplo o experimento "Fornalha Universal", encenado durante o vôo conjunto das espaçonaves "Soyuz" e "Apollo". No decorrer desta experiência, foi estudada a possibilidade de obter monocristais homogêneos de germânio contendo impurezas de silício (0,5% em peso) e antimônio (centésimos de um por cento). A amostra cilíndrica foi aquecida até a temperatura de fusão, exceto a extremidade fria, que deveria ser usada como “semente” durante a cristalização. A amostra foi mantida na temperatura máxima por 1 h, após o que foi resfriada por 5 h a uma taxa de 0,6 graus/min, e então o forno foi resfriado incontrolavelmente até completar o resfriamento (Fig. 8).

Arroz. 8. Cartucho para o experimento "Forno Universal" (1 - bloco de aquecimento de grafite; 2 - inserto térmico de grafite; 3 - invólucro de aço inoxidável; 4 - isolamento; 5 - mecanismo de travamento; 6 - unidade de remoção de calor; 7 - inserto térmico de cobre)

Uma análise das amostras entregues à Terra mostrou que, ao contrário do esperado, após refusão e solidificação em condições próximas à ausência de peso, a distribuição de impurezas na seção transversal da amostra tornou-se menos uniforme. Neste caso, a impureza mais leve (silício) se deslocou em uma direção ao longo do diâmetro da amostra, enquanto a mais pesada (antimônio) se moveu na direção oposta. Tal redistribuição de impurezas na amostra pode ser devido ao fato de que foi justamente ao longo do diâmetro da ampola que pequenas acelerações atuaram durante o experimento, devido ao funcionamento dos motores do sistema de orientação e estabilização do navio. No entanto, o mecanismo específico dos processos que levaram à deterioração da homogeneidade da distribuição de impurezas neste experimento ainda não foi estabelecido de forma inequívoca.

É possível que, para a faixa de acelerações observadas a bordo da espaçonave Apollo durante o experimento do Forno Universal, as correntes de convecção tenham sido especialmente intensas. Cálculos de processos de transferência de calor e massa realizados por cientistas soviéticos com a ajuda de computadores para as condições correspondentes a esse experimento confirmaram essa possibilidade. Neste caso, a redistribuição de impurezas no fundido e a deterioração da homogeneidade da amostra após sua recristalização no espaço devem estar associadas precisamente às correntes de convecção que surgiram no fundido. Mas existem outras explicações possíveis para os resultados do experimento "Universal Furnace".

Os experimentos considerados mostraram que para a correta organização dos processos de transferência de massa no espaço é necessário fornecer tais condições quando os efeitos da convecção podem ser desprezados. Caso contrário, dependendo das condições específicas, é possível um aumento e uma deterioração na uniformidade da distribuição de impurezas nos materiais em estudo.

Se nos exemplos dados foi necessário analisar a possível influência nos processos de transferência de calor e massa da convecção natural, que depende da magnitude da pequena aceleração que atua na espaçonave, então em outros casos, efeitos de convecção que não dependem sobre as acelerações devem ser levados em consideração. Apontemos como exemplo a convecção termocapilar, que em alguns casos também pode ser a causa da deterioração da estrutura do material obtido no espaço.

Por exemplo, na fusão por zona usada para crescer cristais, há uma interface entre o líquido e o vapor saturado acima dele. A temperatura pode variar ao longo dessa superfície e, como a tensão superficial depende dela, um fluxo de convecção pode ocorrer nessas condições. Quando a queda de temperatura começa a exceder um certo valor crítico, correntes de convecção aparecem no fundido, que são oscilantes por natureza e levam a um fluxo desigual de impurezas na zona de cristalização. Como resultado, a impureza dentro do cristal também será distribuída de forma não homogênea (fenômeno de bandamento). Em comparação com a convecção livre, cuja intensidade depende do nível de aceleração da espaçonave, superar os fluxos termocapilares requer outras medidas (limitar a magnitude das quedas de temperatura, etc.).

Os estudos experimentais e teóricos acima dos processos de transferência de matéria sob condições próximas à ausência de peso foram relacionados a derretimentos. No entanto, nestas condições, e para o estado gasoso da matéria, os processos de transferência podem ter características próprias. Citemos também como exemplo um experimento na estação Skylab, no qual foi estudado o crescimento de cristais semicondutores - seleneto e telureto de germânio - a partir da fase gasosa. Este método baseia-se no fato de que na extremidade quente de uma ampola selada, uma substância na fase gasosa (iodeto de germânio) reage com a superfície de um material fonte sólido e então se difunde para a extremidade fria da ampola sob a ação de uma diferença de temperatura. Lá, na zona mais fria, os vapores se condensam no cristal semente e os cristais desejados são formados. Esperava-se que a taxa de transferência de massa do produto na fase gasosa fosse determinada por processos puramente de difusão. Em condições terrestres, esta velocidade aumenta significativamente devido à convecção. Este experimento mostrou que a taxa real de transferência de massa em condições espaciais é menor do que a observada na Terra, mas maior do que o valor calculado em uma aproximação puramente de difusão.

Resultados semelhantes também foram obtidos em um experimento realizado durante o voo conjunto das espaçonaves Soyuz e Apollo. Essa discrepância nas taxas de transferência de difusão pode estar associada às características das reações químicas no estado gasoso, que não são levadas em consideração nos métodos de cálculo existentes.

Mecânica dos fluidos. Considerando a mecânica do fluido em gravidade zero como uma das seções dos fundamentos teóricos da produção espacial, é necessário estudar as questões de tensão superficial e molhabilidade, efeitos capilares, estabilidade das formas fluidas e o comportamento das inclusões nele contidas. - bolhas de gás, partículas sólidas, etc. Para um estudo qualitativo dessas questões, é conveniente realizar experimentos a bordo de naves espaciais usando água e soluções aquosas.

Uma série de experimentos de demonstração semelhantes foi realizada, por exemplo, na estação espacial americana Skylab. O comportamento das esferas flutuantes de água, suas vibrações causadas pelo empurrão de uma seringa e o colapso das esferas durante a rotação foram estudados pelo método de filmagem. A influência da tensão superficial no amortecimento de vibrações de um líquido e na sua interação com uma superfície sólida foi estudada pela adição de uma solução de sabão ao líquido, o que levou a uma mudança no coeficiente de tensão superficial.

Outra configuração experimental, utilizada na estação Skylab para experimentos de demonstração em mecânica dos fluidos, possibilitou simular o comportamento da zona flutuante. Nesta instalação, entre duas hastes que podiam ser afastadas e giradas independentemente uma da outra, foi criada uma ponte líquida com diferentes coeficientes de tensão superficial (devido à adição de uma solução de sabão à água). Esta configuração foi usada para estudar a estabilidade da zona líquida em relação à rotação e deslocamento das hastes com uma mudança no valor do coeficiente de tensão superficial.

A próxima tarefa da mecânica dos fluidos é estudar o comportamento do gás e outras inclusões. A importância desses estudos foi apontada em 1969 por cientistas soviéticos que realizaram os primeiros experimentos de soldagem na espaçonave Soyuz-6 e observaram o aparecimento de inclusões de gás nas soldas. Na Terra, as bolhas são removidas do líquido sob a ação da força de Arquimedes, isso não acontece no espaço. Em alguns casos, tais inclusões podem levar a uma deterioração da qualidade do material. Para controlar a dinâmica de inclusões gasosas e outras em líquidos, os cientistas soviéticos propuseram o uso de vibrações ultrassônicas de líquidos e realizaram experimentos a bordo de um laboratório voador sob ausência de peso a curto prazo, o que confirmou a promessa desse método.

Dada a importância da pesquisa no campo da mecânica dos fluidos, os experimentos correspondentes também foram incluídos no programa de experimentos da estação Salyut-5. O objetivo desses experimentos era investigar o movimento de um líquido sob a ação de forças capilares apenas e obter dados qualitativos sobre o comportamento de bolhas em um líquido sob condições próximas à ausência de peso. Os experimentos foram realizados pelos cosmonautas B.V. Voltov e V.M. Zholobov usando instrumentos Potok e Reaktiya.

O dispositivo Potok era um paralelepípedo retangular feito de plexiglass transparente e contendo duas cavidades em seu interior, a superfície interna de uma das quais é molhada pela água e a outra não. As cavidades esféricas são interligadas por capilares e canais de drenagem equipados com válvulas de fechamento. Antes do início do experimento, as válvulas foram abertas e, sob a ação das forças de tensão superficial, uma solução aquosa fluiu de uma cavidade inicialmente preenchida com líquido com paredes não molhadas para uma cavidade, cujas paredes foram molhadas com água. Através do canal de drenagem, a pressão do ar entre as cavidades foi equalizada. Ao testar o instrumento em um laboratório voador, o processo de fluxo de fluido de uma cavidade para outra foi registrado por meio de filmagem.

Ao testar o dispositivo na estação Salyut-5, foi estudada a resistência de uma bolha de gás em um líquido ao estresse mecânico. Quando o dispositivo foi agitado vigorosamente, a bolha de gás na cavidade cheia de líquido se quebrou em um grande número (cerca de 100) de pequenas bolhas. Posteriormente, essas bolhas gradualmente se fundiram em uma grande, mas a duração desse processo foi significativa - cerca de dois dias.

Arroz. 9. Esquema da localização do tubo e acoplamento no dispositivo "Reaction".

O dispositivo Reaktiya consistia em um corpo e dois recipientes com exo-pacotes cilíndricos, dentro de cada um dos quais havia um tubo de aço inoxidável com um acoplamento colocado nele (Fig. 9). Uma solda de manganês-níquel foi colocada no espaço entre o tubo e a manga, que derreteu durante o experimento, se espalhou ao longo do espaço e solidificou após o resfriamento e forneceu fortes juntas soldadas entre a manga e o tubo. Como mostrou o estudo de amostras soldadas entregues à Terra, a solda líquida umedeceu as superfícies e fluiu através do intervalo capilar formado entre a superfície interna da manga e o tubo, da cavidade anular maior para a cavidade anular menor (Fig. 10) .

Assim, com o uso do dispositivo "Reaction", foi demonstrada a possibilidade de transbordamento de líquido sob a ação de forças de tensão superficial. Este método de controle de fluxo de fluido pode ser útil na prática, por exemplo, para a produção de produtos moldados de forma complexa no espaço. Experimentos semelhantes para estudar o espalhamento de metal líquido (estanho) ao longo de moldes de cobre de forma complexa sob a ação de forças de tensão superficial também foram realizados durante o lançamento de um foguete de alta altitude na URSS em março de 1976.

Arroz. 10. Seções transversais (a) e longitudinais (b) de uma junta de solda no dispositivo de reação

processos de cristalização. O processo mais importante de obtenção de materiais em condições espaciais é a sua cristalização. Os monocristais podem ser obtidos a partir de soluções, fundidos ou da fase de vapor. As características de todos os três métodos de obtenção de cristais foram estudadas em várias naves espaciais. Consideremos como exemplo os experimentos de crescimento de cristais realizados na estação Salyut-5, bem como durante o vôo conjunto das espaçonaves Soyuz e Apollo.

Na estação Salyut-5, foram estudadas as características do crescimento de cristais a partir de soluções aquosas. A principal característica distintiva de tais experimentos no espaço é a ausência de convecção no líquido, o que leva a flutuações na taxa de crescimento e na composição do cristal. Deste ponto de vista, a qualidade dos cristais obtidos no espaço deve ser superior. Mas, por outro lado, sob condições cósmicas, a força de Arquimedes não atua em bolhas de gás em um líquido, e essas bolhas podem ser capturadas por faces de cristal em crescimento.

O estudo desses processos na estação Salyut-5 foi realizado usando o dispositivo Kristall. Era um termostato com três cristalizadores, em cada um dos quais cresciam cristais de alúmen de potássio a partir de sua solução aquosa (ver Fig. 6). O alúmen de potássio foi escolhido como o material em estudo, uma vez que suas propriedades e características de crescimento na Terra são bem estudadas. Para induzir o processo de cristalização, um pedaço de cristal (“semente”) foi introduzido em cada uma das soluções. Em suas faces, começou o crescimento do cristal, cujo material, devido à difusão, veio da solução. Na fig. 11 mostra amostras de cristais de alúmen de potássio cultivados na estação orbital Salyut-5.

O experimento com o cristalizador nº 1 durou 24 dias (de 14 de julho a 8 de agosto de 1976). A primeira expedição à estação Salyut-5, cosmonautas B.V. Volynov e V.M. , cristalização). O experimento com o cristalizador nº 2 durou 185 dias (de 9 de agosto de 1976 a 11 de fevereiro de 1977). A maior parte deste experimento ocorreu enquanto a estação Salyut-5 estava em modo controlado não tripulado. A segunda expedição - os cosmonautas V. V. Gorbatko e Yu. N. Glazkov - entregaram à Terra um grande número de cristais obtidos durante a cristalização em massa. Um fenômeno interessante foi observado - a fusão de cristais individuais em cadeias ("colares"). A experiência no cristalizador nº 3 foi realizada durante 11 dias. Um cristal que cresceu em uma "semente" foi entregue à Terra, não houve cristalização de massa neste cristalizador (ver Fig. 11).

O estudo dos cristais cultivados no cristalizador nº 1 mostrou que os cristais "cósmicos" diferem daqueles cultivados na Terra tanto na facetação externa dos cristais (aquelas faces cristalinas que geralmente são pouco desenvolvidas em amostras terrestres são bem desenvolvidas) quanto na estrutura interna (amostras cósmicas contêm uma quantidade aumentada de inclusões gás-líquido). O estudo dos cristais obtidos durante a cristalização em massa no molde nº 2 mostrou que eles também contêm inclusões gás-líquido. Intercrescimentos de quatro a cinco cristais individuais são observados. Para um cristal crescido no molde nº 3, a alternância de zonas contendo inclusões de gás com zonas livres de inclusões é típica.

Arroz. Fig. 11. Cristais de alúmen de potássio cultivados na estação Salyut-5 (a - amostras do molde nº 1; b - do molde nº 2; c - do molde nº 3)

Estudos de cristais entregues do espaço também mostraram que eles não exibem bandas, o que é característico das condições terrestres e indica flutuações na taxa de crescimento. Este resultado pode ser devido à ausência de convecção na solução sob condições espaciais.

A fonte de inclusões gás-líquido nos cristais são obviamente bolhas de gás dissolvidas no líquido e liberadas na frente de cristalização. As bolhas de gás são capturadas pelo cristal em crescimento e fazem com que a solução líquida seja arrastada. Usando soluções desgaseificadas em experimentos subsequentes, será possível cultivar cristais no espaço que não contenham tais inclusões. Os intercrescimentos de cristais observados no cristalizador nº 2, no qual o processo de cristalização durou cerca de meio ano, são aparentemente devidos à atração mútua de cristais crescendo no volume líquido por um longo tempo.

As características do crescimento de cristais a partir do fundido também foram estudadas usando o germânio como exemplo, também em um experimento realizado durante o voo da espaçonave Soyuz-Apollo. As amostras de teste foram colocadas em ampolas, que foram instaladas em um forno elétrico, onde o germânio foi submetido à fusão parcial seguida de solidificação no modo de resfriamento programado a uma taxa de 2,4 graus/min. Para determinar experimentalmente a taxa de crescimento do cristal, marcações da interface foram feitas a cada quatro segundos pela passagem de pulsos curtos de corrente elétrica através do fundido. Durante o processamento pós-voo das amostras, essas marcas foram reveladas e a taxa de crescimento dos cristais foi medida a partir delas, que no final do período de resfriamento foi de cerca de 10 a 3 cm/s. Em experimentos de controle montados na Terra, essa velocidade acabou sendo aproximadamente a mesma. Este resultado significa que tanto no espaço quanto na Terra, a transferência de calor no fundido foi determinada para este caso principalmente pela condutividade térmica, enquanto o papel da convecção é insignificantemente pequeno. Os cristais obtidos no espaço eram muito maiores do que os cultivados na Terra na mesma configuração.

No experimento, que também foi realizado como parte do programa Soyuz-Apollo, estudou-se o crescimento de cristais a partir da fase vapor. Cristais do tipo germânio - selênio - telúrio cresceram em ampolas seladas, que foram colocadas em uma zona com diferença de temperatura em um forno elétrico de aquecimento. O experimento mostrou que os cristais entregues do espaço são mais perfeitos do que as amostras de controle obtidas na Terra (maior uniformidade, menos defeitos de rede cristalina, etc.). Ao mesmo tempo, verificou-se que, contrariamente às expectativas teóricas, a taxa de transferência de massa excede o valor calculado em uma aproximação puramente de difusão, mas é inferior ao valor obtido em experimentos de controle na Terra, onde a convecção desempenhou um papel significativo. Esse resultado ainda requer uma explicação teórica.

Assim, experimentos realizados no espaço sobre o crescimento de cristais a partir de soluções, fundidos e da fase de vapor mostraram que sob condições espaciais é possível obter materiais cristalinos com maior perfeição e uniformidade. Ao mesmo tempo, foi estabelecido que uma série de características observadas experimentalmente do crescimento de cristais na ausência de peso ainda não receberam a cobertura teórica necessária e requerem investigação adicional.

Solidificação sem contêiner na ausência de peso. Os processos de conformação de corpos líquidos e sua solidificação em condições não afetadas pela força do peso têm características próprias. Em primeiro lugar, o líquido, abandonado nessas condições, tende, como se sabe, a tomar a forma de uma bola. No entanto, na realidade, quando um líquido se solidifica, surgem vários efeitos que complicam o processo de esferoidização: flutuações livres do volume do líquido, diferentes taxas de resfriamento do líquido na superfície e no volume, etc. Em segundo lugar, os processos de solidificação e cristalização de tal líquido na ausência de peso também pode prosseguir de acordo com -outro. Em primeiro lugar, trata-se da convecção, que, em condições terrestres, suaviza as flutuações de temperatura no fundido e contribui para a estabilidade do processo de cristalização. Terceiro, no caso de ligas multicomponentes, a ausência de gravidade pode afetar a redistribuição dos componentes dentro do líquido e, portanto, a homogeneidade da amostra.

A totalidade dessas questões foi investigada em experimentos na estação Skylab, bem como em um experimento com o dispositivo Sphere na estação Salyut-5. No primeiro desses experimentos, blanks de níquel puro ou suas ligas foram fundidos por um feixe de elétrons e depois resfriados flutuando livremente em uma câmara de vácuo a bordo da estação Skylab. Estudos de solo das amostras obtidas mostraram que o desvio de sua forma do esférico é de cerca de 1%, e as amostras preparadas a partir de ligas contêm poros internos. O objetivo de outro experimento foi obter materiais sem peso com porosidade uniforme por refusão de grades de prata. Cientistas americanos não conseguiram obter tais materiais, mas ao refundir malhas finas de prata em ampolas, observou-se esferoidização de gotas de prata líquidas. Estudos de solo dessa parte das gotas endurecidas, que não tiveram contato com as paredes da ampola durante o resfriamento, mostraram que sua forma está longe de ser perfeita. A superfície das amostras é coberta com uma grade de ranhuras e há cavidades de retração em seu volume. A estrutura interna das amostras tinha um caráter celular. Pode-se supor que foi a solidificação celular e a formação de conchas que impediram a formação de esferas mais regulares em condições próximas à ausência de peso.

A fim de obter novas informações sobre os processos que acompanham a solidificação sem contêiner de metal líquido na estação Salyut-5, um experimento foi montado com o dispositivo Sphere. A liga eutética de madeira foi escolhida como substância de teste, que possui um ponto de fusão mínimo (cerca de 70 °C) e, portanto, permite minimizar o consumo de energia (10 W). A composição química da liga investigada (em peso): bismuto - 40, chumbo - 40, cádmio - 10, estanho - 10%. O dispositivo "Sphere" era um aquecedor elétrico, dentro do qual a peça investigada pesando 0,25 g foi derretida, que foi então empurrada para um saco de lavsan usando uma haste. Dentro desta bolsa, o fundido esfriou e solidificou sem entrar em contato com as paredes. O tempo durante o qual a pré-forma colocada no aquecedor foi aquecida até o ponto de fusão foi de 30 s na Terra. Na ausência de peso, o contato entre a peça e as paredes do aquecedor deve piorar; portanto, o tempo de aquecimento da amostra foi aumentado para 2 min.

A amostra entregue à Terra após a conclusão dos experimentos tinha uma forma elipsoidal e sua superfície era coberta com fibras dispostas aleatoriamente (de acordo com o cosmonauta V. M. Zholobov, a amostra parecia um ouriço). Como a análise mostrou, a estrutura interna da amostra também mudou muito devido à refusão no espaço: a distribuição uniforme dos componentes da liga sobre o volume foi perturbada, cristais semelhantes a agulhas com composição química diferente formados, etc. cura sob condições de contenção sem recipiente . Tentativas de selecionar em condições de laboratório tal regime térmico para o processamento de um tarugo de liga de madeira que levasse a uma estrutura semelhante ao fundido não deram um resultado positivo, obviamente, porque é impossível reproduzir retenção de amostra sem recipiente na Terra.

Assim, os estudos realizados até agora no campo dos fundamentos físicos da produção espacial, incluindo experimentos realizados em várias naves espaciais, confirmaram a correção das idéias gerais sobre as características dos processos físicos na ausência de peso e forneceram evidências experimentais diretas da possibilidade de obter materiais com características melhoradas no espaço. Ao mesmo tempo, os experimentos mostraram a insuficiência das teorias quantitativas existentes desses processos e revelaram a necessidade de estudos especiais visando desenvolver os fundamentos teóricos para a produção de novos materiais no espaço.

metalurgia espacial

A metalurgia lida com a produção de metais e com os processos que conferem às ligas metálicas as propriedades necessárias, alterando sua composição e estrutura. A metalurgia inclui os processos de limpeza de metais de impurezas indesejadas, a produção de metais e ligas, tratamento térmico de metais, fundição, revestimento na superfície de produtos, etc. A maioria desses processos inclui transições de fase para estados líquidos ou gasosos, para os quais o a influência das forças de massa na composição e estrutura do material final pode ser significativa. Portanto, a transferência de processos metalúrgicos para o espaço abre possibilidades fundamentais para a produção de materiais com características melhoradas, bem como materiais que não podem ser obtidos na Terra.

Processos metalúrgicos em condições espaciais podem ser usados ​​para resolver os seguintes problemas.

1. Preparação de ligas nas quais não há segregação devido à força de Arquimedes (obtenção de materiais compósitos, ligas de alta homogeneidade e pureza, espumas metálicas).

2. Preparação de ligas na ausência de correntes de convecção (monocristais sem defeitos, materiais eutéticos e magnéticos melhorados).

3. Fundição sem gravidade (preparação de filmes, arames, produtos fundidos de forma complexa).

4. Fusão sem cadinho de metais e ligas (purificação de metais e ligas, sua solidificação homogênea).

5. Desenvolvimento de métodos para obtenção de juntas permanentes em veículos espaciais (soldadura, brasagem, etc.).

Consideremos brevemente o estado das pesquisas voltadas à obtenção de materiais no espaço por métodos metalúrgicos.

Cristais e ligas sem defeitos. Para a produção de ligas, os componentes iniciais podem ser preparados tanto na fase líquida quanto na fase gasosa (vapor), seguido de cristalização. Na ausência de peso, devido à ausência de separação de fases, podem ser especificadas combinações arbitrárias de componentes em qualquer estado. É possível, em particular, obter uma transição direta da fase de vapor para a sólida, contornando o fundido. Os materiais obtidos por evaporação e condensação têm uma estrutura mais fina, o que geralmente é difícil de obter por processos de fusão e solidificação (fusão espacial pode ser considerada como um método de purificação). Neste caso, os seguintes efeitos são possíveis no fundido: evaporação de um componente mais volátil, destruição de compostos químicos (óxidos, nitretos, etc.).

O processo mais importante para a produção de ligas é a solidificação. Este processo afeta significativamente a estrutura do metal. Durante a solidificação, vários defeitos podem ocorrer na estrutura metálica: heterogeneidade da liga em termos de composição química, porosidade, etc. A presença de quedas de temperatura e concentração no fundido pode levar à convecção. Se o fundido solidificar sob condições de flutuações de temperatura, ocorrem flutuações locais na taxa de crescimento do cristal, o que pode levar a um defeito como uma estrutura cristalina em faixas. Para superar esse defeito estrutural, são necessárias medidas para reduzir a convecção.

Em condições de espaço, abre-se a possibilidade de preparar misturas homogéneas constituídas por componentes com diferentes densidades e com diferentes pontos de fusão. Na Terra, tais misturas não podem ser estáveis ​​devido à força de Arquimedes. Uma classe especial de ligas desse tipo são materiais magnéticos, incluindo novos supercondutores.

Foi observado anteriormente que uma das vantagens do método de fusão por zona em condições espaciais é que é possível obter cristais únicos de tamanhos maiores do que na Terra. A ausência de gravidade também permite organizar os processos de cristalização dirigida de uma nova maneira. Desta forma, bigodes de grande comprimento (“bigodes” ou “bigodes”) com maior resistência podem ser obtidos.

Consideremos experimentos nos quais as possibilidades práticas da metalurgia espacial foram investigadas. Assim, em um experimento na estação Skylab, foram obtidas ligas de componentes que são mal misturados em condições terrestres. Em três ampolas foram colocados blanks de ligas de ouro-germânio, chumbo-zinco-antimônio, chumbo-estanho-índio. Sob condições de espaço, as amostras foram refundidas por várias horas, mantidas a uma temperatura acima do ponto de fusão e depois resfriadas. As amostras entregues à Terra têm propriedades únicas: a homogeneidade dos materiais acabou sendo maior que a das amostras de controle obtidas na Terra, e a liga de ouro com germânio acabou sendo supercondutora a uma temperatura de cerca de 1,5 K. Misturas análogas obtidos de um fundido na Terra não possuem essa propriedade. , aparentemente devido à falta de homogeneidade.

No âmbito do programa ASTP soviético-americano, foi realizado tal experimento, cujo objetivo era estudar a possibilidade de obter materiais magnéticos com características melhoradas. Ligas de manganês-bismuto e cobre-cobalto-cério foram escolhidas para a pesquisa. A temperatura máxima de 1075 °C foi mantida na zona de trabalho do forno elétrico por 0,75 h, e então o forno resfriado por 10,5 h. A solidificação ocorreu durante o período de sono dos astronautas para reduzir o impacto indesejável das vibrações durante seus movimentos dentro da estação. O resultado mais importante desse experimento é que as amostras do primeiro tipo, solidificadas a bordo da espaçonave, têm uma força coercitiva 60% maior do que as amostras de controle obtidas na Terra.

Materiais compostos. Materiais compostos, ou compósitos, são materiais criados artificialmente que consistem em um aglutinante principal e um enchimento de reforço durável. Exemplos incluem a combinação de alumínio (material de ligação) com aço preparado na forma de filamentos (material de reforço). Isso também inclui metais de espuma, isto é, metais, cujo volume contém um grande número de bolhas de gás uniformemente distribuídas. Em comparação com os componentes que os formam, os materiais compósitos têm novas propriedades - maior resistência com menor gravidade específica. Uma tentativa de obter compósitos com base em estado líquido em condições terrestres leva à delaminação do material. A preparação de compósitos em condições espaciais pode proporcionar uma distribuição mais uniforme da carga de reforço.

Também foi montado um experimento na estação Skylab, com o objetivo de obter materiais compósitos reforçados com "bigodes" de carbeto de silício (gravidade específica 3,1). A prata (gravidade específica 9,4) foi escolhida como material principal (matriz). Materiais compósitos com base metálica reforçada com "bigodes" são de interesse prático devido à sua alta resistência. A técnica para a sua produção baseia-se em processos sucessivos de mistura, prensagem e sinterização.

Ao realizar um experimento espacial, os tamanhos das partículas de pó de prata eram ~ 0,5 mm, o diâmetro dos bigodes de carboneto de silício era ~ 0,1 μm e o comprimento médio era de ~ 10 μm. O tubo de quartzo que abrigava a amostra tinha um pistão de grafite-quartzo com uma mola para comprimir a amostra após a fusão, a fim de extrudar os vazios do fundido. Um estudo de materiais compósitos entregues no espaço mostrou que, em comparação com amostras de controle, eles têm uma estrutura muito mais uniforme e maior dureza. No caso de materiais obtidos na Terra, a estratificação estrutural é claramente visível e os “bigodes” flutuam para cima.

Eutéticos. Um eutético é uma mistura fina de sólidos que cristaliza simultaneamente a uma temperatura abaixo do ponto de fusão de qualquer um dos componentes ou qualquer outra mistura desses componentes. A temperatura na qual tal fusão cristaliza é chamada de temperatura eutética. Ligas deste tipo são muitas vezes formadas a partir de componentes que são muito diferentes uns dos outros (por exemplo, a liga eutética de Wood inclui bismuto, chumbo, estanho, cádmio). Materiais eutéticos são amplamente utilizados em ciência e tecnologia: eles são usados ​​para a fabricação de pás de turbinas a gás, como supercondutores e materiais ópticos especiais.

Para a preparação de eutéticos, geralmente é utilizado o método de solidificação direcional, ou seja, solidificação em uma determinada direção. A aplicação deste método em condições espaciais é de indiscutível interesse, pois devido à ausência de convecção, a homogeneidade do material pode ser melhorada, e eliminando o contato do fundido com as paredes, é possível obter materiais que terão propriedades ópticas úteis.

Uma variedade de eutéticos são sistemas de duas fases, como "bigodes". Estes são monocristais aciculares com uma estrutura muito perfeita, cuja força, devido à ausência de inclusões estranhas, se aproxima do teoricamente possível. Na ausência de peso, esses materiais podem ser cultivados e introduzidos em metal líquido por métodos de fundição composta. Outro tipo de eutética são os filmes epitaxiais finos. Tais filmes são amplamente utilizados na fabricação de transistores depositando um material em uma base sólida - um substrato de uma fase líquida ou vapor. A manifestação da convecção em um líquido ou gás leva a uma distorção da rede dos filmes epitaxiais, ao aparecimento de inclusões indesejadas e outros defeitos estruturais neles.

Vários experimentos foram realizados em condições espaciais para estudar ligas eutéticas. Por exemplo, em um experimento na estação Skylab, o efeito da ausência de peso na estrutura de uma liga de cobre-alumínio durante a solidificação direcional foi investigado. Em amostras entregues do espaço, o número de defeitos diminuiu de 12 a 20%. Em outro experimento na estação Skylab e MA 131 durante o vôo conjunto das espaçonaves Soyuz e Apollo, foi estudada a produção de eutéticos haletos bifásicos (NaCl-NaF no primeiro caso e NaCl-LiF no segundo). Durante a solidificação de tal eutético, uma das fases (NaF ou LiF) pode formar filamentos embutidos na outra fase como material de matriz.

Tais eutéticos podem ser usados ​​como fibras ópticas para a região do infravermelho do espectro. Os eutéticos filamentosos produzidos na Terra apresentam um grande número de defeitos, cuja ocorrência está associada a movimentos de convecção oscilatórios no líquido. A estrutura dos eutéticos haletos obtidos no espaço mostrou-se mais perfeita, o que levou a uma melhoria nas suas características técnicas. Assim, o coeficiente de transmissão de luz para a amostra do primeiro tipo aumentou 40 vezes e do segundo tipo - 2 vezes em comparação com amostras semelhantes cultivadas na Terra.

Tecnologia para obter conexões permanentes. Como observado acima, o primeiro trabalho do mundo nesta área foi realizado na União Soviética em 1969 na espaçonave Soyuz-6. Na estação espacial soviética Salyut-5, os cosmonautas B. V. Volynov e V. M. Zholobov continuaram a pesquisa nessa direção, realizando com sucesso experimentos em metais de solda usando o dispositivo Reaction. O dispositivo "Reaction" (ver Fig. 6) e o exocontêiner colocado nele não eram herméticos por design e, portanto, para simular as condições de soldagem no espaço exterior, o ar foi evacuado antecipadamente da área selada entre a manga e o tubo ( veja a Fig. 9). O tubo e o acoplamento foram confeccionados em aço inoxidável, e para criar espaços capilares entre eles, foi feito um recartilhamento com profundidade de 0,25 mm na superfície do tubo. A solda de manganês-níquel de alta temperatura (temperatura de solda 1200-1220 ° C) foi escolhida como a solda, caracterizada por altas propriedades mecânicas e boa resistência à corrosão.

Estudos metalográficos e testes de soldas baseados no solo (para densidade a vácuo, para resistência mecânica em um testador de tração com pressão interna de até 500 atm) mostraram que as juntas de solda obtidas no espaço não são inferiores em qualidade às obtidas em condições terrestres , e superá-los em uma série de indicadores. Em particular, observa-se um preenchimento uniforme das lacunas com solda e a microestrutura do metal é mais uniforme (ver Fig. 10).

Os resultados dos testes a bordo de naves espaciais de vários métodos de soldagem e soldagem confirmam que esses métodos de obtenção de juntas permanentes encontrarão ampla aplicação ao realizar trabalhos de montagem e montagem em objetos espaciais promissores.

materiais semicondutores

Semicondutores - substâncias que possuem condutividade eletrônica e, em termos de condutividade elétrica, ocupam uma posição intermediária entre bons condutores (metais) e isolantes (dielétricos). Os semicondutores típicos são, por exemplo, germânio e silício. A condutividade elétrica dos semicondutores é altamente dependente da temperatura. Sob a ação da luz, a condutividade elétrica de alguns semicondutores aumenta; tais materiais são por vezes referidos como fotocondutores. As propriedades dos semicondutores também são muito sensíveis à perfeição de sua rede cristalina e à presença de impurezas. Em alguns casos, a presença de uma impureza na menor concentração (por exemplo, 10 -6 ou 10 -7) é o fator decisivo que determina as propriedades elétricas do semicondutor. Essas qualidades únicas de materiais semicondutores garantiram seu uso mais amplo em quase todas as áreas da ciência e tecnologia.

A fabricação de materiais semicondutores no espaço pode proporcionar benefícios significativos por vários motivos. Em primeiro lugar, as propriedades desses materiais dependem fortemente da tecnologia de sua preparação, e muitos efeitos indesejáveis ​​são causados ​​pela manifestação da força do peso (convecção no fundido, separação de componentes de diferentes densidades, etc.). Em segundo lugar, sob condições espaciais, a uniformidade da distribuição de dopantes em um semicondutor pode ser significativamente melhorada.

Vamos nos voltar para a consideração de experimentos tecnológicos específicos destinados a perceber as vantagens indicadas da fabricação de materiais semicondutores no espaço.

Crescimento de monocristais a partir de derretimentos. Defeitos em monocristais semicondutores durante seu crescimento a partir de um fundido surgem devido ao aparecimento de vários tipos de fluxos de convecção no fundido, bem como devido à entrada de impurezas indesejáveis ​​nele. Para crescer um único cristal a partir de uma fusão, é necessária uma diferença de temperatura e, neste caso, a convecção térmica geralmente ocorre na Terra. As correntes de convecção levam ao aparecimento de flutuações locais de temperatura no líquido e, devido ao fato de que a solubilidade da impureza no fundido depende da temperatura, a uma distribuição não homogênea da impureza no cristal em crescimento. Esse fenômeno, devido à convecção, é chamado de bandamento ou microssegregação. O banding é um dos defeitos na estrutura dos monocristais semicondutores. Devido à possibilidade de reduzir o papel da convecção no espaço, espera-se que os monocristais cultivados a bordo de uma espaçonave tenham uma estrutura mais uniforme.

Para avaliar o efeito das correntes de convecção no fenômeno de segregação, usando o exemplo de monocristais de germânio dopados com impurezas, tal experimento foi realizado na estação Skylab. Os cristais colocados em ampolas foram colocados em um forno elétrico de aquecimento, onde primeiro foram parcialmente fundidos e, em seguida, sob condições de diferença de temperatura quase constante, foram resfriados e cristalizados. Gálio, antimônio e boro foram usados ​​como dopantes em diferentes ampolas. A comparação com amostras de controle obtidas pelo mesmo método na Terra mostrou que a segregação de impurezas em cristais de germânio entregues do espaço acabou sendo várias vezes menor. No caso do germânio dopado com gálio, também foi investigada a relativa uniformidade da resistividade do material ao longo do comprimento da amostra. Para amostras terrestres, foi ? ?/? ? 6,4 10 -2, e para espaço - 0,8 10 -2.

O processo de cristalização do germânio dopado com gálio também foi estudado durante o lançamento de um foguete soviético de alta altitude em dezembro de 1976. Nesse experimento, uma fonte de calor exotérmica foi utilizada para aquecer as amostras. Um estudo das ampolas entregues à Terra mostrou que a frente de fusão tinha uma forma bastante plana. Este resultado confirmou a promessa de utilização de dispositivos deste tipo c. experimentos para obter materiais semicondutores.

Em outros experimentos na estação Skylab, foram obtidos monocristais de antimonito de índio. No primeiro deles, uma haste de antimonito de índio foi instalada dentro de uma cápsula de grafite de forma que sua extremidade livre ficasse em um hemisfério oco. O objetivo do experimento é uma tentativa de obter cristais esféricos. No entanto, devido ao fato de o fundido ter aderido parcialmente à parede de grafite da cavidade, a forma dos cristais obtidos acabou não sendo esférica, mas em forma de gota. No entanto, a estrutura cristalina tornou-se mais perfeita: a densidade de discordâncias diminuiu por um fator de 5-10, e a impureza (selênio) foi distribuída de forma mais uniforme do que em amostras de controle obtidas na Terra.

Outro experimento envolveu a refusão e posterior solidificação de amostras de antimonito de índio contidas em três ampolas seladas: uma contém antimonito de índio puro, a outra contém dopado com telúrio e a terceira contém dopado com estanho. Os estudos dos cristais obtidos também mostraram sua alta homogeneidade.

Em vários experimentos, foi estudada a possibilidade de obter materiais semicondutores a partir de fundidos consistindo de componentes que diferem muito em gravidade específica. Por exemplo, em um experimento realizado durante o vôo conjunto das espaçonaves Soyuz e Apollo, o efeito da ausência de peso na solidificação direcional de materiais semicondutores foi investigado. Foram utilizados pares de chumbo-zinco e antimônio-alumínio. Amostras espaciais da liga de antimônio-alumínio revelaram-se mais homogêneas do que as da Terra. No caso da liga chumbo-zinco, a homogeneidade completa não foi alcançada.

Crescendo monocristais a partir de soluções. Se um cristal de semente é introduzido em uma solução supersaturada da substância desejada, o cristal crescerá nele a uma temperatura constante. Este método é usado para crescer cristais que são usados ​​como detectores de ondas sonoras, em óptica, etc. Um cristal em crescimento é sensível a quaisquer mudanças nas condições de crescimento: flutuações de temperatura e concentração, aparecimento de correntes de convecção, presença de impurezas estranhas, etc. Alterando as condições de excitação das correntes de convecção em solução, um comportamento diferente das impurezas na ausência de peso afetará as características do crescimento de cristais a bordo da espaçonave.

Os resultados de um estudo experimental das características do crescimento de cristais de alúmen de potássio a partir de sua solução aquosa supersaturada, realizado na estação Salyut-5, são apresentados no capítulo anterior.

Cristais crescentes da fase de vapor. O crescimento de cristais pelo método da fase de vapor é amplamente utilizado para a obtenção de filmes epitaxiais de materiais semicondutores. Um diagrama esquemático de um dispositivo para o crescimento de cristais a partir da fase de vapor foi mostrado na fig. 5. Em condições normais, o método é sensível à excitação da convecção, o que leva ao aparecimento de defeitos na rede cristalina. Além disso, há uma tendência à policristalização, é difícil obter cristais grandes por esse método na Terra. Em condições espaciais, pode-se contar com a limitação do papel da convecção e melhoria da qualidade dos materiais obtidos, além de aumentar a tamanho de monocristais.

Os efeitos esperados também foram investigados no experimento Skylab. A técnica de crescimento de cristais em fase de vapor foi aplicada ao seleneto de germânio e ao telureto de germânio. Foram obtidos cristais, cuja qualidade acabou sendo superior à das amostras de controle preparadas na Terra. Foi possível obter monocristais planos de seleneto de germânio com um tamanho de 4 x 17 mm e uma espessura de cerca de 0,1 mm. Na Terra, apenas pequenos cristais com uma estrutura imperfeita foram obtidos.

Levando em conta esses resultados, durante o voo conjunto das espaçonaves Soyuz e Apollo, esse experimento foi realizado. Aqui, a técnica de crescimento de cristais a partir da fase de vapor foi aplicada a sistemas mais complexos: germânio-selênio-telúrio e germânio-enxofre-selênio. As amostras obtidas em condições espaciais também se mostraram mais perfeitas e sua estrutura mais homogênea.

Vidro óptico e cerâmica

A influência de condições próximas à ausência de peso na tecnologia de produção de vidro pode ser diferente. Primeiro, a fusão sem recipiente pode ser realizada sem gravidade, reduzindo drasticamente a entrada de impurezas nocivas no material das paredes do cadinho no qual o vidro é derretido. Em segundo lugar, é possível garantir a estabilidade de misturas líquidas, cujos componentes diferem muito em densidade. Em terceiro lugar, a ausência de convecção livre reduz a probabilidade do aparecimento de centros de cristalização aleatórios e melhora a uniformidade. Quarto, o papel predominante das forças capilares pode ser usado para dar ao líquido fundido a forma necessária (fibras, filmes, etc.) antes da solidificação. A utilização destes factores permite contar com (obtenção de vidros melhorados ou qualitativamente novos, bem como produtos de vidro no processo de produção do espaço.

Na fig. 12 mostra como o volume da massa formadora de vidro fundido varia com a temperatura. Quando, à medida que o fundido esfria, a temperatura de solidificação é atingida T m, o processo posterior pode se desenvolver de duas maneiras. Se houver núcleos presentes no fundido (impurezas provenientes das paredes do cadinho, heterogeneidades locais na composição química, etc.), então a cristalização pode começar no volume e o volume diminuirá de acordo com a curva inferior. Se, por outro lado, a formação de núcleos de cristalização puder ser suprimida e a taxa de resfriamento puder ser suficientemente grande, então aparecerá primeiro o estado de um líquido super-resfriado, que, quando a temperatura de transição vítrea for atingida, T g passa no vidro (curva superior na Fig. 12). No espaço, o processo de fusão do vidro sem cadinho é possível, e a homogeneidade do fundido será maior devido à ausência de convecção. Estas vantagens abrem a possibilidade de obter novos e melhorados tipos de vidro óptico a bordo de naves espaciais.

Arroz. 12. Mudança no volume de líquido com a temperatura durante a fusão do vidro (T m - temperatura de cristalização;T g - Temperatura de transição do vidro. 1 - derreter; 2 - líquido super-resfriado; 3 - vidro; 4 - cristal)

Ao mesmo tempo, para o desenvolvimento bem-sucedido da produção de vidro em condições espaciais, aparentemente, várias dificuldades técnicas terão que ser superadas: remoção de bolhas de gás indesejáveis ​​de uma massa vítrea na ausência de flutuabilidade, garantindo uma determinada taxa de resfriamento sem convecção natural, controle do regime de temperatura de resfriamento e o nível admissível de acelerações aleatórias em condições de contenção sem recipiente da massa vítrea.

Tudo o que foi dito sobre as peculiaridades da produção de vidro em condições espaciais também se aplica à produção de cerâmica.

Consideremos brevemente algumas áreas promissoras da produção espacial de vidro e cerâmica. O objetivo desses estudos é explorar a possibilidade de obtenção de vidros com características ópticas melhoradas, com alto ponto de fusão, absorvendo e refletindo calor, para a fabricação de lasers de estado sólido que sejam resistentes a meios quimicamente ativos e mantenham suas propriedades por longos períodos de tempo, vidros semicondutores com "memória" para circuitos integrados.

A produção espacial destes vidros pode proporcionar uma série de vantagens. Vidros semicondutores, por exemplo, possuem alto índice de refração na região do infravermelho. Ao derretê-los na Terra, é difícil garantir uniformidade óptica suficiente. Outro exemplo é a produção de vidros para lasers de estado sólido contendo impurezas de alta concentração (neodímio, itérbio, etc.). No espaço, é possível aumentar a uniformidade da distribuição de impurezas e ao mesmo tempo reduzir o fluxo de contaminantes nocivos das paredes do recipiente.

Devido à ausência da força de Arquimedes e ao papel predominante das forças capilares em condições próximas à leveza, é possível produzir produtos de vidro constituídos por matérias-primas diferentes e com alta perfeição superficial usando o método sem recipiente. Como exemplo, considere os filtros sólidos, que são uma suspensão de pequenas partículas transparentes dentro de um material transparente, selecionados de tal forma que os índices de refração dessas partículas e do material coincidam em apenas um comprimento de onda. Como resultado, a radiação de luz de apenas este comprimento de onda passará pelo filtro sem perda, e para todos os outros comprimentos de onda haverá forte dispersão e absorção de luz devido a múltiplas reflexões entre as partículas. Na ausência de peso, é possível obter uma alta uniformidade de distribuição de partículas no material base.

A produção de vidro sem recipiente em condições de espaço pode levar a uma redução no número relativo de alguns dos defeitos mais comuns. Esses defeitos incluem:

1) cristais, ou seja, inclusões que se destacam do próprio vidro durante a solidificação;

2) inclusões estranhas (a vitrificação sem contêiner é capaz de reduzir drasticamente sua concentração);

3) estrias, ou seja, intercamadas de um vidro no outro, que tem uma composição química diferente (a fonte das estrias também é em grande parte o influxo de contaminantes das paredes do cadinho);

4) bolhas, ou seja, inclusões de gás, para eliminá-las em condições próximas à ausência de peso, a massa vítrea líquida pode ter que ser submetida a um processamento especial (rotação, vibração, etc.).

Uma melhora significativa no material também pode ser esperada no caso da produção de fibras ópticas no espaço. Tal guia de luz é tipicamente uma haste de vidro de alta refração cercada por um revestimento de vidro de refração inferior. Uma grande diferença entre esses coeficientes garante baixa absorção e alta transmitância através do guia de luz.

A qualidade de um guia de luz depende da precisão da relação entre os diâmetros da haste e da casca, bem como entre seus índices de refração. Se na interface entre a haste e a casca houver heterogeneidades não menores que o comprimento de onda da luz (diferença de diâmetro, defeitos na estrutura do vidro, heterogeneidade dos índices de refração, etc.), a energia da luz será parcialmente espalhada e absorvida no eles. A contaminação do vidro (com íons pesados, vapor de água, etc.) também afeta fortemente o valor de absorção. o papel predominante das forças de tensão superficial no fundido.

Como exemplo de materiais cerâmicos promissores, cuja produção no espaço pode ser rentável, apresentamos eutéticos que se solidificam em uma direção. Com este método, fios metálicos podem ser embutidos na base cerâmica.

Existem também propostas para a produção no espaço de outro tipo de materiais cerâmicos - microcircuitos compostos. Essas cerâmicas são compostas por uma massa vítrea contendo partículas em suspensão que determinam as características eletrônicas dos materiais. Sob condições de ausência de peso, pode-se contar com um aumento em sua homogeneidade.

Devido à complexidade da tecnologia de obtenção de vidro, a pesquisa experimental em espaçonaves nessa direção ficou muito atrás do trabalho em outras áreas da produção espacial. Em março e dezembro de 1976, quando foguetes de alta altitude foram lançados na URSS, experimentos de fusão de vidro foram realizados pela primeira vez. Usando fontes de energia exotérmicas, os processos de fusão e formação do vidro foram estudados em condições próximas à ausência de peso, usando o exemplo do vidro com carga (vidro com alumínio), bem como o vidro fosfato especialmente forte. Uma amostra de vidro de fosfato entregue do espaço consiste em parte de zonas com inclusões de gás e em parte - de uma zona de material homogêneo. A liga de alumínio-vidro obtida tem propriedades semicondutoras.

Produtos biomédicos

Uma das tarefas importantes associadas à produção de produtos biomédicos (vacinas, enzimas, hormônios, etc.) é sua purificação. Sabe-se, por exemplo, que aumentar a pureza das vacinas utilizadas reduz a probabilidade de efeitos colaterais prejudiciais quando usadas, e isso, por sua vez, permite aumentar a dosagem e aumentar a eficácia do medicamento terapêutico.

Um dos métodos mais comuns para purificação e separação de material biológico celular é baseado no uso de eletroforese. Este fenômeno é observado em sistemas dispersos, ou seja, sistemas que consistem em duas ou mais fases com uma interface altamente desenvolvida entre elas, e uma das fases (a fase dispersa) é distribuída na forma de pequenas partículas - gotículas, bolhas, etc. n. - em outra fase (meio de dispersão). Os sistemas dispersos incluem substâncias biológicas. Se um campo elétrico externo for aplicado a esse meio, sob sua influência, partículas dispersas suspensas no líquido começam a se mover. Este é o fenômeno da eletroforese.

Partículas dispersas suspensas em um meio líquido sofrem a ação de um campo elétrico em movimento, pois possuem carga elétrica. Como diferentes moléculas orgânicas têm cargas elétricas diferentes, a velocidade que elas adquirem em um campo elétrico é diferente. Essa diferença de velocidades é a base para o método de separação eletroforética das frações necessárias de um meio disperso e purificação de materiais biológicos. O esquema da instalação experimental construída com base nestes princípios mostra-se no figo. treze.

Arroz. 13. Eletroforese em fluxo líquido livre (1 - fornecimento de solução; 2 - seleção de fração). A separação das frações é realizada na direção perpendicular ao fluxo da solução entre os eletrodos

Em condições terrestres, o uso de eletroforese para separar os componentes de um líquido enfrenta várias dificuldades. Em primeiro lugar, há uma sobreposição parcial de frações causadas por convecção livre, bem como por convecção térmica, devido à ocorrência de quedas adicionais de temperatura e densidade na solução devido ao seu aquecimento quando passa uma corrente elétrica. Por esta razão, a quantidade de corrente que pode passar através da solução é severamente limitada para evitar o superaquecimento indesejável do líquido. E isso significa que a produtividade da instalação para a separação de materiais biológicos é relativamente baixa. Além disso, devido à diferença nas densidades da fase dispersa e do meio de dispersão, sob a ação da força de Arquimedes, sua separação é possível.

Em condições de espaço, essas dificuldades podem ser superadas. Em primeiro lugar, trata-se da capacidade de limitar o papel da convecção e, consequentemente, melhorar o grau de purificação e aumentar a produtividade das instalações. Outra possível vantagem do método eletroforético em condições de ausência de peso está relacionada ao fato de que a densidade não afeta a separação de fases. Sob condições terrestres, a densidade depende da viscosidade, cujo valor pode ser alterado pela adição de um grande número de pequenas moléculas ou uma pequena quantidade de grandes moléculas à solução. Na ausência de peso, este método de controlar a viscosidade de uma solução torna-se especialmente conveniente devido à ausência da força de Arquimedes. Como resultado, torna-se possível controlar a viscosidade do meio como parâmetros independentes que não estão relacionados à densidade. Claro, essa possibilidade não pode ser realizada na Terra.

Com o objetivo de verificar diretamente essas conclusões em condições espaciais, cientistas da Alemanha Ocidental e dos Estados Unidos realizaram uma série de experimentos realizados na estação Skylab e durante o voo conjunto das espaçonaves Soyuz e Apollo. Em um experimento no Skylab, foi testado um dispositivo no qual um fluxo de fluido não perturbado fluía entre duas placas às quais um campo elétrico era aplicado. As partículas foram introduzidas na solução em uma extremidade do dispositivo e removidas através de orifícios localizados na outra extremidade. Em condições terrestres, devido à mistura de correntes de convecção, a distância entre as placas não pode ser maior que 1–2 mm. Em condições de espaço, foi possível aumentá-lo para 5 - 10 mm. Esse resultado confirmou a possibilidade de aumentar o desempenho do dispositivo e melhorar sua resolução.

No experimento, um dispositivo de tipo semelhante foi usado para separar as células do sangue e explorar as limitações impostas pela convecção e sedimentação de partículas. Ao reduzir a influência da convecção, foi possível aumentar a profundidade da câmara e, como resultado, aumentar a produtividade da instalação em 6,5 vezes. O poder de resolução aumentou 1,5 vezes em comparação com os experimentos realizados na Terra.

Em outro experimento, a possibilidade de obter preparações biológicas puras em condições de convecção suprimida também foi estudada usando o exemplo de células sanguíneas e renais, em particular, a tarefa era isolar a urokenase em sua forma pura. A urokenase é a única enzima produzida no corpo humano capaz de dissolver os coágulos sanguíneos formados. Se for possível isolar a enzima urokenase em sua forma pura e descobrir o processo de sua produção pelas células renais, será possível produzi-la em quantidades suficientes na Terra. A urokenase é um meio eficaz de combater a tromboflebite e doenças cardiovasculares como ataque cardíaco, acidente vascular cerebral, etc. Segundo relatos, esse experimento também foi realizado com sucesso. No geral, no entanto, muito menos trabalho foi feito até agora no campo da eletroforese do que em outras áreas de pesquisa em tecnologia espacial.

Experimentos tecnológicos complexos

Para um estudo abrangente das características que surgem durante o curso dos processos físicos na ausência de peso, bem como para identificar as perspectivas relativas (para a produção espacial) de processos tecnológicos específicos, é necessário passar para a realização de estudos experimentais em massa em naves espaciais de Vários tipos. O estado atual da pesquisa e desenvolvimento no campo da produção espacial, em curso na União Soviética, caracteriza-se precisamente pela transição para esta fase.

O programa soviético de pesquisa espacial no campo da tecnologia e produção prevê a realização de experimentos tão complexos, e esta será uma nova etapa na pesquisa e desenvolvimento dos cientistas soviéticos neste campo e, por sua vez, é determinada pelos sucessos alcançado na etapa anterior. Em particular, um extenso complexo de experimentos tecnológicos da natureza mais massiva foi realizado recentemente durante os lançamentos de foguetes de alta altitude e durante o voo da estação espacial orbital Salyut-6 com cosmonautas a bordo. Realizados como parte de um único programa de pesquisa, esses experimentos se complementavam.

Em 27 de dezembro de 1977, um foguete de alta altitude foi lançado na União Soviética, o que possibilitou a realização simultânea de várias dezenas de diversos experimentos tecnológicos. Para sua implementação, foi desenvolvido um conjunto especial de dispositivos tecnológicos - SKAT, no qual o calor de reações químicas exotérmicas foi usado para aquecer e derreter as substâncias em estudo. As amostras em estudo foram colocadas em ampolas, que foram instaladas ao longo do eixo de células cilíndricas de aquecimento.

A duração do estado de ausência de peso neste experimento foi de cerca de 10 min. Portanto, para garantir uma solidificação suficientemente rápida das substâncias fundidas antes que o estado de ausência de gravidade cesse (quando o foguete entra nas camadas densas da atmosfera), foi usado um sistema especial de liberação de calor. Ela trabalhou no princípio da "esponja térmica", baseada na remoção do calor liberado em um clipe de alumínio maciço.

A massa total do conjunto de instrumentação SKAT (juntamente com o sistema de liberação de calor) foi de 137 kg. Em diferentes ampolas, dependendo da tarefa do experimento, diferentes temperaturas foram obtidas. A faixa de temperaturas máximas realizadas com o equipamento SKAT foi de 600–1700°C.

O programa de experimentos realizados com o kit SKAT incluiu o estudo de uma ampla gama de substâncias: materiais compósitos, metais de espuma, ligas especiais e semicondutores. Para aumentar a confiabilidade dos resultados, quase todos os experimentos foram duplicados.

A realização de experimentos tecnológicos de natureza complexa foi incluída no programa de trabalho realizado pelos cosmonautas soviéticos no complexo de pesquisa orbital Salyut-6 - Soyuz-27.

11 de janeiro de 1978 cosmonautas Yu. V. Romanenko e G. M. Grechko, que chegaram à estação Salyut-6 na espaçonave Soyuz-26, juntaram-se à tripulação da espaçonave Soyuz-27 - cosmonautas V. A. Dzhanibekov e O. G Makarov, que posteriormente retornaram a Terra com a ajuda da espaçonave Soyuz-26. O veículo de descida da espaçonave Soyuz-26 entregou à Terra materiais com os resultados de pesquisas e experimentos durante o voo da estação orbital Salyut-6 por mais de três meses.

Em 22 de janeiro de 1978, foi realizado o acoplamento com o complexo de pesquisa tripulado "Salyut-6" - "Soyuz-27" do veículo automático de transporte de carga "Progress-1". Pela primeira vez na história da cosmonáutica, uma operação de transporte foi realizada usando uma espaçonave automática para entregar equipamentos, instrumentos e materiais a uma estação orbital tripulada para garantir a vida da tripulação e realizar pesquisas e experimentos científicos, além de combustível para reabastecimento de sistemas de propulsão.

Com a ajuda do Progress-1, os equipamentos foram entregues à estação Salyut-6, que também foi projetada para realizar um ciclo de experimentos tecnológicos. Em particular, inclui a instalação Splav-01, que consiste em um forno elétrico de aquecimento tipo ampola e um pequeno computador projetado para controlar automaticamente o regime térmico. A cavidade interna do forno possui três zonas: com altas e baixas temperaturas e entre elas - com uma diferença de temperatura (a temperatura máxima é de cerca de 1000 ° C). O design do forno permite realizar experimentos simultaneamente com três ampolas cheias de substâncias de teste.

Iniciando a preparação de experimentos tecnológicos, Yu. V. Romanenko e G. M. Grechko colocaram o forno na câmara de bloqueio no compartimento de trabalho da estação Salyut-6, através do qual a tripulação joga fora o lixo doméstico (a câmara tem duas escotilhas - uma leva dentro da estação, o outro - no espaço circundante). Em seguida, os cosmonautas conectaram a câmara de ar ao painel de controle instalado dentro da estação através de conectores herméticos especiais. Depois disso, a escotilha interna da câmara foi fechada e a escotilha externa foi aberta, para que o forno ficasse no vácuo do espaço. Tais condições de operação do forno foram escolhidas de forma a garantir a remoção de calor do mesmo por radiação diretamente para o espaço exterior circundante.

Tendo concluído a preparação do equipamento, em 14 de fevereiro de 1978, os cosmonautas Yu. V. Romanenko e G. M. Grechko iniciaram o primeiro experimento tecnológico. Ao mesmo tempo, a estação foi comutada para o modo de deriva (no qual os motores do sistema de controle de atitude são desligados) para reduzir o efeito de pequenas acelerações no decorrer do experimento. Com o mesmo propósito, uma parte significativa do experimento foi realizada enquanto os cosmonautas dormiam. As ampolas instaladas no forno elétrico no primeiro experimento tecnológico continham compostos de cobre-índio, alumínio-magnésio e antimoneto de índio.

Nos dias 16 e 17 de fevereiro, foi realizado o segundo experimento tecnológico na estação Salyut-6, que durou 31 horas e estudou as reações entre o tungstênio sólido e o alumínio fundido, bem como o processo de impregnação do molibdênio poroso com gálio líquido. Especialistas sugerem que o último material pode ter propriedades supercondutoras.

Uma nova etapa na implantação do programa de experimentos tecnológicos na estação orbital Salyut-6 foi associada ao voo bem-sucedido da espaçonave Soyuz-28, pilotada pela primeira tripulação internacional composta pelo piloto-cosmonauta da URSS A. A. Gubarev e um cosmonauta -pesquisador, cidadão da Tchecoslováquia V. Remeka.

Em 3 de março de 1978, a espaçonave Soyuz-28 foi acoplada ao complexo orbital Salyut-6 - Soyuz-27. Os cosmonautas A. A. Gubarev e V. Remek entregaram uma cápsula feita no Instituto de Física do Estado Sólido da Academia de Ciências da Tchecoslováquia, que continha duas ampolas cheias de amostras de cloreto de prata e chumbo e cloreto de cobre monovalente, ao complexo de pesquisa orbital. Essas substâncias foram escolhidas porque possuem propriedades óptico-acústicas valiosas. O cloreto cuproso é um material eletro-óptico bem conhecido, e o cloreto de prata é amplamente utilizado em equipamentos de detecção por infravermelho. O experimento conjunto soviético-tchecoslovaco com essas substâncias foi chamado de Morava.

Iniciando este experimento tecnológico em 4 de março de 1978, os cosmonautas colocaram ambas as ampolas com as substâncias de teste no forno elétrico da instalação Splav-01, colocando-as em uma zona com diferença de temperatura. A temperatura máxima de operação do forno neste experimento foi de cerca de 500 °C, e a duração total do processo de recristalização das amostras após fundidas atingiu aproximadamente 40 h. estruturas das substâncias estudadas em comparação com amostras de controle obtidas no mesmo configuração em condições terrestres.

Durante o experimento, os cosmonautas controlaram a operação do computador da instalação Splav-01, o que garantiu a manutenção do regime de temperatura especificado. Após a conclusão do experimento Morava, a cápsula com as substâncias em estudo foi embalada e entregue por A. A. Gubarev e V. Remek à Terra.

O experimento "Morava" marca o início de uma nova área de pesquisa espacial conjunta dos países socialistas participantes do programa "Interkosmos". Experimentos tecnológicos estão agora sendo adicionados à pesquisa no campo da física espacial, meteorologia, biologia e pesquisa sobre os recursos naturais da Terra. Nos voos subsequentes de tripulações internacionais, os experimentos tecnológicos serão continuados. Em particular, o programa Interkosmos prevê lançamentos em 1978 da espaçonave Soyuz, cujas tripulações incluirão representantes da República Popular da Polônia e da República Democrática Alemã. Como parte de um programa unificado de pesquisas e experimentos científicos e tecnológicos a bordo do complexo científico orbital baseado na estação Salyut-6, cosmonautas dos países socialistas terão que realizar tarefas de volume e complexidade crescentes.

Perspectivas para o desenvolvimento da produção espacial

Os primeiros experimentos tecnológicos no espaço foram realizados há apenas alguns anos. E embora muito pouco tempo tenha passado desde então, pesquisas e experiências espaciais realizadas na URSS e no exterior permitiram obter resultados científicos e técnicos, com base nos quais é possível fazer uma avaliação preliminar das perspectivas para o produção de novos materiais no espaço. Quais são as principais conclusões que podem ser tiradas analisando os resultados dos experimentos realizados até o momento?

Em geral, confirmam-se ideias gerais sobre as características dos processos físicos na ausência de peso, mas, ao mesmo tempo, revela-se a insuficiência de muitos modelos teóricos e mostra-se a necessidade de estudos especiais que visem desenvolver os fundamentos teóricos da produção do espaço. A possibilidade de obter no espaço monocristais semicondutores, ligas especiais, compósitos e outros materiais com características melhoradas, bem como tais substâncias, que não podem ser obtidas na Terra, foi confirmada experimentalmente. A possibilidade de melhorar a resolução e aumentar a produtividade das instalações para a separação eletroforética de preparações biológicas foi diretamente confirmada.

Estes são os resultados mais gerais de aproximadamente 60 experimentos realizados até hoje em várias naves espaciais na URSS e no exterior. E embora muito já tenha sido feito, ainda há muito a ser feito antes que a produção espacial se torne um ramo independente economicamente eficiente da economia nacional. Observemos as tarefas mais importantes que precisam ser resolvidas para garantir a consecução desse objetivo.

Em primeiro lugar, é necessário passar de experiências realizadas em instrumentos relativamente simples para estudos experimentais extensivos com recurso a instalações especializadas a bordo, que tenham plenamente em conta as especificidades do trabalho no espaço e que permitam aproveitar ao máximo as vantagens associadas à essas características. . A tarefa de criar tais instalações é uma das prioridades. Em segundo lugar, é necessário realizar estudos abrangentes sobre a influência dos fatores de voo espacial - e, em primeiro lugar, a falta de peso - nas leis dos processos físico-químicos da matéria, a fim de identificar os modos ideais de processos tecnológicos para obter novos materiais a bordo da espaçonave. Em terceiro lugar, é necessário assegurar o desenvolvimento dos fundamentos teóricos da produção espacial, incluindo o desenvolvimento de métodos de simulação numérica de processos na matéria.

O objetivo final da pesquisa no campo da produção espacial é transformá-la em uma indústria promissora que forneça uma eficiência técnica e econômica suficientemente alta. Devido ao alto custo dos voos espaciais, é lucrativo produzir no espaço apenas produtos caros e exclusivos, cuja necessidade anual é relativamente pequena (quilogramas ou dezenas de quilogramas atualmente, centenas ou milhares de quilogramas após a criação de transporte reutilizável eficiente nave espacial). Portanto, para a correta determinação das perspectivas e formas de desenvolvimento do trabalho no campo da produção espacial, os estudos de sua eficiência técnica e econômica desempenham um papel importante.

Está sendo considerada a possibilidade de produzir no espaço cristais de granada usados ​​em elementos de memória de computador para melhorar suas características. A demanda por esses cristais na década de 1980, segundo dados estrangeiros, será caracterizada por um custo de mais de US$ 1 bilhão.Se uma parte dessas necessidades for coberta pela produção espacial, isso também proporcionará economias de custos tangíveis. Se for possível organizar a produção de certos materiais no espaço, por exemplo, novas ligas supercondutoras com temperatura crítica aumentada ou vidro óptico para lasers de alta potência, isso revolucionará literalmente ramos inteiros da tecnologia.

Merecem atenção especial as pesquisas que visem organizar a produção no espaço de preparações biomédicas e farmacêuticas novas ou aprimoradas. Experimentos bem-sucedidos na obtenção da enzima urokenase, realizados durante o voo da espaçonave Soyuz-Apollo, indicam que novos resultados importantes podem ser esperados nessa direção. O trabalho contínuo nesta importante área pode dar uma contribuição tangível para o desenvolvimento dos cuidados de saúde e proporcionar um efeito económico significativo. Segundo especialistas estrangeiros, até o ano 2000, até 30 toneladas de preparações biológicas (enzimas, vacinas, etc.) com um custo total de cerca de US$ 17 bilhões serão produzidas no espaço anualmente.

Os avanços na tecnologia de foguetes e espaço armaram o homem com um novo fator que ele pode usar em suas atividades de produção - um longo estado de ausência de peso. É possível duvidar que nossos contemporâneos - cientistas, engenheiros, projetistas, tecnólogos - consigam colocar esse fator a serviço da humanidade? Toda a experiência da história da ciência e da tecnologia indica que isso definitivamente acontecerá.

No entanto, não se deve pensar que tal conclusão abre automaticamente perspectivas sem nuvens para o futuro desenvolvimento da produção espacial. Pelo contrário, implica a necessidade de estudos mais aprofundados sobre todo o problema, realizados no âmbito de um único programa de natureza abrangente. Não há dúvida de que é precisamente essa abordagem que garantirá o rápido desenvolvimento de uma nova área de atividade humana no espaço sideral - a produção de novos materiais no espaço sideral.

Literatura

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Um circuito integrado é um dispositivo eletrônico, cujos elementos são inseparavelmente conectados estruturalmente e eletricamente interligados.