© I. Zh. Bezbakh, V. I. Strelov e B. G. Zakharov
© Museu Estadual de História da Cosmonáutica. K.E. Tsiolkovsky, Kaluga
Seção "K.E. Tsiolkovsky e problemas de produção espacial"
2004

Uma das áreas importantes da biotecnologia terrestre e espacial é a obtenção de cristais de biomacromoléculas para determinar sua estrutura espacial por métodos cristalográficos e utilizar as informações obtidas para fins biológicos, médicos e industriais.

Nas últimas décadas, foram obtidos resultados em centenas de macromoléculas e milhares de seus cristais, as técnicas de cristalização foram significativamente aprimoradas, a ciência do crescimento de cristais de biomateriais a partir de empíricos está se tornando cada vez mais precisa. No entanto, a produção estável de biocristais de tamanho e uniformidade adequados para pesquisa ainda é um problema em todo esse processo. Até o momento, cerca de 35% dos cristais de proteína cultivados comercialmente em condições espaciais provaram ser de qualidade estrutural superior aos obtidos em condições semelhantes na Terra. Na ausência de peso, foi possível obter biocristais que são superiores em volume e resolução a qualquer um de seus equivalentes terrestres. No entanto, os restantes 65% dos cristais, ao contrário das previsões, revelaram-se de pior qualidade do que os seus homólogos terrestres.

Nesse sentido, é importante determinar quais fatores são decisivos em termos de qualidade dos biocristais obtidos. Devido às fracas forças de ligação entre moléculas em biocristais, a influência de ambas as condições externas e fatores internos no processo de cristalização pode ser decisiva. Geralmente considera-se que é necessária uma transição para condições puramente de difusão. Isso é totalmente alcançável ao realizar experimentos na ausência de peso.

O principal ponto negativo que afeta o processo de cristalização de biomateriais na Terra é o seguinte: em condições terrestres, além da transferência de massa por difusão, é típica a ocorrência de fluxos convectivos em solução, que, se forem grandes, podem ter um efeito extremamente negativo. efeito sobre os processos de crescimento e a qualidade dos cristais resultantes. A precipitação de cristais também pode ser observada, o que rompe a simetria do fornecimento de biomaterial dissolvido a eles e afeta sua forma. Ao mesmo tempo, tentativas de realizar a cristalização do biomaterial de várias maneiras devido ao mecanismo exclusivamente de difusão levam a um aumento significativo no tempo necessário para o experimento e a uma diminuição na estabilidade das condições experimentais.

Em condições espaciais, essas deficiências podem ser eliminadas. No entanto, os efeitos vibracionais geralmente começam a ter seu efeito, especialmente significativo a bordo da Estação Espacial Internacional. Ao mesmo tempo, as formas de sua influência e os mecanismos de sua compensação são importantes.

Um estudo mais aprofundado do processo de cristalização de biomateriais para melhor compreendê-lo, aprimoramento dos métodos e equipamentos de cristalização, redução da influência das condições externas no processo, etc., possibilitarão a realização de experimentos espaciais com obtenção de biocristais perfeitos.

Tendo completado com sucesso sua missão de pesquisa na primavera de 2013, foi a vez de "Photon". Externamente, as espaçonaves são irmãos gêmeos. Mas as tarefas científicas diferem. O "Foton-M" número 4 foi projetado para realizar experimentos em órbita no campo da tecnologia espacial para a produção de semicondutores em microgravidade, biotecnologia para obter novos conhecimentos na física da ausência de peso. "Photon" entrará em órbita em uma semana.

Na vida cotidiana, nem pensamos que sal, açúcar, metais, pedras preciosas são todos cristais. Hoje, nem um único dispositivo eletrônico pode ficar sem eles.

"A primeira planta espacial para o cultivo de cristais. Em 1976, os cristais de alumínio-potássio foram cultivados na estação Salyut-5. Nenhuma condição especial foi necessária para o seu crescimento, sem temperaturas especiais, sem pressão, os cientistas precisavam ver como a ausência da gravidade afeta a estrutura do cristal. E, ao que parece, algo mais foi deixado aqui desde aquela época”, Ksenia Zima examina o conteúdo da instalação espacial para o cultivo de cristais.

Estudos sobre o crescimento de cristais em órbita mostraram que as proteínas crescem melhor lá.

", uma das tarefas é obter um cristal bem limpo, para obter um cristal homogêneo. Para as proteínas, a supressão da convecção é um fator favorável. No espaço, o movimento do líquido é suprimido, então elas crescem melhor lá", explica Alexei Voloshin, vice-diretor do Instituto de Cristalografia da Academia Russa de Ciências.

Em Baikonur, a instalação de equipamentos científicos na espaçonave "Photon-M" foi concluída. O início está para breve. A bordo do satélite estão instrumentos para dezenas de experimentos em cristalografia, ciência dos materiais, biologia e microbiologia. E isso é apenas parte das orientações. Em uma palavra, "Photon" é um conjunto de idéias científicas.

"A singularidade é que os "fótons" anteriores não voaram conosco por mais de 20 dias. Este vôo está planejado para 60 dias. Este é o primeiro. Segundo, esta espaçonave possui um sistema de propulsão, podemos elevar o dispositivo a um Vamos voar a uma altitude de 500 quilômetros", disse Valery Abrashkin, chefe do foguete e centro espacial TsSKB-Progress.

Quanto maior, melhor, dizem os cientistas. 500 quilômetros - perto do espaço: a atmosfera não afeta mais tanto, gravidade muito fraca, o que significa que a pureza dos experimentos será alta.

"Colocamos 22 tipos de equipamentos nesta espaçonave. Cada equipamento tem vários experimentos. Ou seja, tentamos arranjar a espaçonave de forma que cientistas de diversas áreas de pesquisa pudessem montar seus experimentos e obter as informações científicas necessárias", disse. continuou Valery Abrashkin.

Externamente, "Photon" é semelhante ao aparato biológico científico "Bion". Irmãos gêmeos. Uma cápsula redonda, cheia de instrumentos científicos. Ao retornar do espaço, não queima na atmosfera, todos os experimentos retornam à Terra.

Ao contrário do Photon, os biossatélites possuem um sistema de suporte à vida. Uma certa temperatura, pressão, nível de oxigênio é mantida, já que os principais passageiros do Bion são organismos vivos. Os "fótons" não transportam passageiros; os cientistas realizam experimentos tecnológicos neles.

"A carga útil é um dos dispositivos de cristalização de proteínas que voará no Foton. O dispositivo é baseado no princípio da contradifusão de um líquido", diz Alexei Voloshin.

É em órbita que estruturas proteicas mais precisas podem ser obtidas. Para os farmacêuticos, esta é uma grande ajuda na criação de novos medicamentos eficazes.

"Se for uma proteína de alguma bactéria nociva, então é selecionada uma substância que deve suprimir a estrutura dessa proteína. Se a proteína desempenha uma função útil, eles selecionam uma substância que deve potencializar essa função", diz Alexei Voloshin, vice-diretor do Instituto de Cristalografia da Academia Russa de Ciências, sobre a essência dos experimentos.

Dentistas de verdade trabalham em outro laboratório. Os buracos de basalto, nos quais os microorganismos estão localizados, são selados. Placas com micróbios serão fixadas na parte externa da nave Photon.

As bactérias terão que suportar a radiação cósmica e, ao retornar - altas temperaturas. Se eles não morrerem - os defensores da teoria da panspermia - de que os meteoritos semearam a vida na Terra - terão um forte argumento.

"Após o plantio, o basalto aquecido é retirado e então eles olham para ver se os microrganismos sobreviveram. É assim que a teoria da panspermia é testada", diz Vladimir Sychev, vice-diretor do Instituto de Problemas Biomédicos da Academia Russa de Ciências. .

Foram selecionados micróbios especiais, que suportarão temperaturas gigantescas de centenas de graus. É verdade que esse experimento não funcionou para colegas estrangeiros - as bactérias morreram. No entanto, o resultado negativo apenas inspirou nossos microbiologistas.

"Nós, inspirados pela experiência de nossos colegas europeus, decidimos expandir o espectro de microrganismos. Juntamente com o Instituto de Microbiologia da Academia Russa de Ciências Médicas, criamos uma coleção dessas culturas e associações que poderiam ser trazidas para a Terra como parte de meteoritos”, disse Vyacheslav Ilyin, chefe do laboratório do Instituto de Problemas Biomédicos da Academia Russa de Ciências.

Pela primeira vez neste "Photon" a regra principal será violada: não transporte animais. Na espaçonave em sua cabine especialmente equipada.

"Esta espécie vive na ilha das Maurícias, as principais razões pelas quais esta espécie foi escolhida é o seu pequeno tamanho, e a principal razão pela qual esta espécie pode prescindir de comida viva, o que lhes permitirá existir perfeitamente durante 2 meses", salienta o principal funcionário científico do Instituto de Problemas Biomédicos da Academia Russa de Ciências Rustam Berdiev.

A principal característica desses animais, que atraiu cientistas, as lagartixas podem se agarrar a qualquer superfície. Portanto, em gravidade zero, eles não voam, mas vivem suas vidas normais e se sentem bem. Bem, se apenas durante o início eles serão jogados um pouco.

“Eles fixam na superfície, existem vários tipos, alguns têm ventosas especiais ou pequenos ganchos nas patas, grudam em qualquer superfície, para eles a superfície é mais importante que a gravidade. Eles grudam na superfície das paredes e não sofremos estresse de flutuação. Então, pela primeira vez na história, conseguimos nos livrar do estresse", disse Sergey Solovyov, chefe do laboratório do Instituto de Pesquisa em Morfologia Humana.

Numerosos experimentos em lagartixas sugeriram aos cientistas como lidar com o impacto negativo da ausência de peso nas pessoas. De uma longa permanência em órbita, os astronautas são lavados do cálcio do corpo. Isso não foi observado em lagartixas.

"Aconteceu que o modelo clássico é a desmineralização do esqueleto, descobriu-se, lagartixas que podem se prender à superfície. Isso salva seus ossos da desmineralização. As lagartixas mostraram o caminho pelo qual precisamos desenvolver ainda mais para reduzir a desmineralização do esqueleto dos astronautas”, observa Sergey Solovyov.

O envio de veículos ao espaço apenas por causa da ciência começou há 40 anos. Desde então, dezenas de satélites foram lançados. Havia macacos, camundongos, peixes em órbita. E cada voo desse tipo é mais um passo em direção ao sonho acalentado da humanidade - voos interplanetários.

Em um amplo cinturão de espaço próximo à Terra, a uma altitude de mais de trezentos a 35.800 quilômetros, onde satélites estacionários giram em sincronia com nosso planeta, a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) prevê o desenvolvimento da indústria. Trabalhando neste espaço sem ar em condições de total ausência de peso, as empresas espaciais poderão produzir novos materiais que custam dezenas de milhares de dólares por quilo na Terra. As usinas com um complexo sistema de painéis solares poderão converter a energia do Sol em eletricidade e transmiti-la à Terra. Os aviões espaciais servirão à indústria celestial.
Enquanto isso, os representantes da indústria da terra estão reagindo a esses planos promissores de maneiras diferentes e, em geral, muito reservadas. Por um lado, as principais empresas industriais que contrataram a NASA para o desenvolvimento de equipamentos espaciais e processos experimentais estão entusiasmadas, enquanto outras empresas industriais, pouco cientes de novas iniciativas, estão céticas. Robert A. Frosch, diretor da NASA, disse que sua missão é "proporcionar acesso ao espaço e desenvolver processos tecnológicos básicos que um consumidor em potencial deve avaliar antes de decidir investir".
O laboratório de autoatendimento a bordo do avião espacial será a primeira fábrica no espaço. Os membros da tripulação, tendo recebido treinamento adequado, criarão ligas metálicas em fornos elétricos de fundição, um dos quais é mostrado perto da parede esquerda na imagem. Na sala de trabalho, os pesquisadores equipados com botas de ventosa poderão se mover até a altura máxima.
No compartimento de comando, eles "flutuarão" pela câmara de ar adjacente. Ao longo da parede direita do laboratório haverá gaiolas para animais de experimentação.

Ilustração de Nicholas Solovyov

No entanto, o ceticismo das corporações interessadas em lucros pode ser muito exagerado. O fato é que a NASA não é nova no espaço e constrói seus planos com base em experimentos bem-sucedidos realizados durante voos orbitais anteriores. Esses experimentos, realizados principalmente a bordo da estação espacial Skylab e durante os voos conjuntos das espaçonaves Apollo e Soyuz, provaram que coisas incríveis acontecem com corpos físicos fora da gravidade da Terra: os cristais crescem de forma mais uniforme, em alguns casos em dez vezes o tamanho de espécimes terrestres; Os compostos biológicos podem ser mais facilmente separados e classificados, levando à esperança de que vacinas mais limpas e novos produtos farmacêuticos possam ser produzidos. Além disso, no decorrer de voos anteriores, ficou claro que no espaço é possível desenvolver novos tipos de vidro, várias superligas, bem como vários materiais de várias densidades com propriedades desconhecidas na Terra. Alguns cientistas acreditam que os voos espaciais marcarão o início de novas invenções, que em seu significado podem ser comparadas à bomba de vácuo desenvolvida no século XVII.
Nesta fase, uma apreciação desta área ainda inexplorada só é possível se algumas corporações industriais derem um passo no espaço, pois nenhuma empresa industrial deve ignorar a nova era de grandes mudanças no limiar da qual nos encontramos contra o pano de fundo da atual progresso tecnológico.
As vantagens da produção espacial são mais facilmente explicadas pelas desvantagens terrestres, das quais a gravidade é a principal. A maioria dos materiais sólidos passa por um estágio de amolecimento ou fusão nos processos de sua criação ou processamento, e onde existe gravidade, eles devem ser retidos pelas paredes de um ou outro recipiente - a causa das falhas do material.
Além disso, a gravidade causa correntes convectivas que seguem gradientes de temperatura nas camadas de fluido. Correntes convectivas, de natureza caótica e mutável, muitas vezes levam a diferenças estruturais e composicionais inesperadas e indesejáveis ​​em materiais sólidos, como a formação de áreas moles ou liquefeitas. A gravidade também separa as moléculas, deixando cavidades nas quais as impurezas estranhas se acumulam. Se um líquido é composto por dois ou mais constituintes, a gravidade tende a separar esses materiais, quebrando sua homogeneidade no estado sólido.
Este efeito nocivo da gravidade tem atormentado mais de uma geração de industriais desde a fundição das primeiras estátuas de bronze; por causa disso, os metais nunca poderiam alcançar a força e outras características que a teoria lhes confere. Assim, por exemplo, o aço pode ser dez ou até cem vezes mais forte que o atual. As lâminas de um motor a jato se desintegram a uma temperatura que aumentaria muito sua eficiência. Microfios de marca-passo ou pinos de enxerto ósseo (o custo de ambos é alto, sem falar no trauma de substituí-los) se desgastam mais rápido do que deveriam teoricamente.
Sob condições de ausência de peso no espaço, a maioria dessas dificuldades na produção de materiais está ausente. Claro que, estritamente falando, a gravidade zero não existe, porque cada partícula e cada átomo se atraem. No entanto, a bordo de um avião espacial, a ausência de gravidade se aproximará desse zero inatingível: em um voo calmo, será igual a um milionésimo da gravidade da Terra, mas quando os astronautas acionarem foguetes auxiliares para corrigir o curso ou, digamos, começarem a se mover em suas botas de ventosa, a falta de peso aumentará para um milésimo da gravidade da Terra, que os cientistas chamam de "microgravidade". Uma firma de pesquisa da NASA vai apontar que a gravidade impede a produção de pelo menos quatrocentas ligas diferentes. Muitos deles são combinações de metais que, como óleos e água, não se misturam em condições terrestres. Mas sob condições de ausência de peso, eles se misturam em microescalas e, depois de endurecidos, adquirem força sem precedentes e propriedades elétricas, magnéticas e outras propriedades físicas desconhecidas. Essas ligas metálicas podem ser usadas para fazer carros fortes e leves, móveis quase sem peso, etc. As empresas de eletricidade estão especialmente interessadas em ligas supercondutoras capazes de transmitir eletricidade a baixas temperaturas com praticamente nenhuma perda de energia.
Assim, por exemplo, cobre e chumbo ou chumbo e alumínio, ligados em certas proporções, exibem propriedades de lubrificação mútua, o que, talvez, ajude os projetistas a criar um motor de automóvel que seja suficiente para oitocentos ou mais mil quilômetros rodados.
Muitos desses materiais só podem ser produzidos no espaço usando o chamado método sem recipiente: o metal líquido se solidifica sem tocar em nada. Isso é possível devido à "flutuação", característica de todo objeto no espaço. Uma amostra de um líquido ou sólido pode ser pendurada sem esforço na posição em campos acústicos, eletromagnéticos ou eletrostáticos. Como as forças secundárias, como a tensão superficial, predominam no espaço, o material fundido assume automaticamente a forma de uma esfera. A esfera pode receber a forma desejada apenas por uma influência insignificante de forças externas sobre ela. Na Terra, o processo sem contêiner não foi longe, porque aqui requer um impacto maciço de forças externas. No espaço, as ondas sonoras de um jogador comum farão uma bola de aço voar.
O processo sem recipiente pode levar a uma melhoria na microestrutura do tungstênio, um dos metais refratários (temperatura de fusão 3410°C), que no estado fundido é especialmente propenso à contaminação. Impurezas estranhas formadas no cadinho dificultam a produção de vidro óptico puro e aumentam o custo de produção de fibras de vidro de alta qualidade necessárias para novas linhas de comunicação que estão sendo desenvolvidas pela American Telephone and Telegraph Company e outras empresas. O vidro feito no espaço, que possui uma refração e dispersão únicas, encontrará ampla aplicação na tecnologia laser e em outros sistemas ópticos. “A lista de instrumentos ópticos dobrará”, prevê Ralph Happe, especialista em fabricação de vidro da Rockwell International Corporation.
Mas, talvez, as perspectivas mais amplas no futuro próximo se abram na indústria espacial para cristais, que se tornaram parte integrante da eletrônica e da ótica eletrônica. Em eletrônica, eles usam a propriedade de um cristal para conduzir elétrons sob condições estritamente definidas e completamente controladas, em óptica - sua transparência, que não pode ser comparada nem mesmo com o vidro da mais alta qualidade, que, devido à sua estrutura amorfa, dispersa parcialmente a luz.
O cultivo de cristais na Terra geralmente não é considerado uma ciência, mas uma arte. Especialistas que cultivam os maiores cristais em forma de cenoura, usados ​​na fabricação de circuitos integrados de semicondutores, se autodenominam "cristalizadores", o que, de fato, não está longe da verdade. Embora os cristais não sejam seres vivos, eles são um pouco como plantas. Os cristais requerem comida e se estendem em direção à fonte de nutrição. E aqui, como disse um pesquisador, "o cristalizador acrescenta um pouco disso, um pouco daquilo, como uma receita". A distribuição uniforme de todas essas impurezas importantes, que conferem ao cristal semicondutor as propriedades eletrônicas necessárias, é difícil de conseguir em condições terrestres devido às correntes convectivas causadas pela gravidade. Como resultado, a "colheita" da Terra de cristais adequados para semicondutores é pequena.
O sucesso do crescimento de cristais no espaço é eloquentemente evidenciado por experimentos realizados a bordo da estação orbital Skylab. Os experimentos de Bali foram desenvolvidos por Harry Gatos, professor do MIT especializado em resistência de materiais e projeto de engenharia. Os astronautas conseguiram obter uma amostra de um cristal de índio-antimonido. Ao medir a condutividade da amostra em todo o seu comprimento, Gatos descobriu que as propriedades elétricas do cristal eram constantes. Em um cristal semelhante, cultivado em condições terrestres, essas propriedades mudaram de uma ponta a outra. Durante o voo conjunto Apollo-Soyuz, Gatos conseguiu cultivar a mesma amostra ideal de cristal de germânio. E embora esses experimentos, devido às circunstâncias, fossem muito simples, eles superaram todas as expectativas.
O crescimento de cristais no espaço será retomado com o início dos primeiros voos de aviões espaciais de laboratório. Como prova, um exemplo é dado com o arseneto de hélio, que é amplamente utilizado na produção de LEDs emissores, lasers, dispositivos de microondas e outros equipamentos técnicos. Uma libra (450 gramas) de arseneto de gálio de qualidade não muito alta vale atualmente US $ 15.000. Como resultado, o custo de produção deste cristal é uma pequena fração de seu preço de venda. Cristais do espaço sideral fornecem um número muito maior de circuitos integrados semicondutores perfeitos e, portanto, justificam o alto preço do cristal. Se a alta qualidade dos cristais der origem a uma nova área de aplicação, eles literalmente não terão preço.
Outro produto que provavelmente será lucrativo é uma pequena bola feita de um plástico muito comum - látex de poliestireno. Bolas com diâmetro inferior a dois mícrons e mais de 40 mícrons podem ser feitas na Terra, mas bolas de tamanhos intermediários acabam sendo instáveis ​​e, por razões técnicas complexas, não podem ser produzidas em massa. E os cientistas precisam urgentemente desses diâmetros médios. Se, por exemplo, bolas de diferentes diâmetros fossem introduzidas em uma cultura bacteriana antes de ser analisada sob um microscópio eletrônico, então, com sua ajuda, os cientistas poderiam fazer medições precisas de muitos objetos, de vírus a orifícios nos diafragmas. Além disso, pequenas bolas podem ser usadas para calibrar o próprio microscópio eletrônico e outros instrumentos.
O espaço está repleto de amplas oportunidades para o progresso da biologia e da medicina. A microgravidade ajudará os cientistas a separar tipos específicos de células, componentes e produtos celulares e proteínas. As vacinas adquirirão uma pureza inatingível na Terra. Os voos anteriores forneceram não apenas informações valiosas, mas também uma lição para o futuro; Durante o experimento com o DNA do leite de salmão, bactérias entraram no meio e o destruíram completamente.
O fato é que centenas de substâncias biológicas na Terra não são passíveis de síntese ou separação devido às mesmas correntes convectivas que dão composições irregulares e imprevisíveis. Muitos desses produtos biológicos complexos são produzidos pelo corpo humano. A uroquinase, por exemplo, promove a ativação de enzimas que dissolvem coágulos sanguíneos, e apenas 5% das células do fígado estão envolvidas na produção desse valioso produto químico. A tarefa dos laboratórios espaciais é separar essas células e depois, para fins de reprodução, cultivá-las na Terra. As células hepáticas isoladas no voo Apollo-Soyuz produziram sete vezes mais uroquinase do que o normal, mas por motivos que os cientistas estão interessados ​​em descobrir, essas células pararam de produzir uroquinase na Terra.
Hormônios produzidos pelo corpo e outras substâncias, como o agente antiviral interferon ou endorfinas – analgésicos do cérebro, também podem ser obtidos de forma pura no espaço. O próximo candidato para laboratórios orbitais são as eritropoietinas, produzidas pelos rins e que estimulam a formação de glóbulos vermelhos na medula óssea vermelha. Ninguém ainda conseguiu produzir eritropoietinas puras na Terra.
No entanto, os cientistas fizeram grandes progressos no estudo das células sanguíneas, descobrindo nelas uma série de novas substâncias que atuam como agentes imunizantes. Sob condições de ausência de peso, os cientistas esperam isolar novos medicamentos que ajudem a combater, digamos, a artrite reumatóide, que não é suscetível às ações protetoras dos mecanismos imunológicos. John Carruthers, diretor do programa de desenvolvimento de materiais da NASA, prevê que "um dia as drogas começarão a vir do espaço".
Além da leveza, outra vantagem importante do espaço é a pureza e a rarefação da atmosfera a uma altitude de 300 quilômetros. Robert T. Frost, diretor de pesquisa espacial da General Electric, chama a atmosfera superior de "a melhor câmara de vácuo do mundo". Mas aqui é necessário fazer uma reserva. Na área de voos de ônibus espacial, o espaço sideral não será tão limpo quanto os pesquisadores gostariam, porque os gases de escape dos motores dos foguetes e os detritos dos compartimentos de carga invariavelmente acompanharão os orbitadores. Além disso, mesmo nessa altitude, há uma atmosfera composta de átomos de oxigênio dispersos e criando uma pressão igual a apenas dez bilionésimos da pressão da Terra acima do nível do mar. A este respeito, a NASA pretende construir um escudo espacial no nariz do dispositivo. "Ar" com velocidade cósmica fluirá ao redor do escudo e formará um vácuo quase perfeito atrás dele. Frost acredita que neste espaço ultrapuro, o custo de produção de filme fino para células solares será apenas um por cento do custo de produção na Terra.
Claro, todos esses milagres não acontecerão em um dia. No futuro, os astronautas encontrarão mais usos para si mesmos. Eles terão que instalar usinas de energia no espaço para transmitir energia solar para a Terra e realizar outras funções. No futuro próximo, a NASA provavelmente se tornará uma espécie de centro de serviço público. Possuindo todos os ativos do espaço, a administração venderá seus serviços para corporações industriais em todo o mundo. No entanto, não está descartada a possibilidade de que a NASA transfira seus negócios para alguma empresa privada. A companhia aérea Boeing, por exemplo, acredita que poderia lucrar com a operação comercial de aviões espaciais.

Recentemente, cientistas do Japão conseguiram cultivar cristais ideais de hélio sólido, o que é muito difícil de fazer em laboratórios terrestres - eles são facilmente deformados sob a influência da gravidade. No entanto, os pesquisadores agiram de maneira muito original - eles cultivaram cristais de hélio em gravidade zero, que foram criados a bordo de um avião a jato.

Antes de começar uma história sobre cristais sólidos de hélio, é necessário lembrar por que os cientistas precisavam deles. Como sabemos, entre os vários estados agregados da matéria, além do líquido, sólido e gasoso, existe também um que se chama condensado de Bose-Einstein. Nesse estado, a matéria não consiste em moléculas e átomos, mas em bósons resfriados a temperaturas próximas ao zero absoluto.

Uma das propriedades interessantes do condensado de Bose-Einstein é a superfluidez - um estado em que ele tem viscosidade zero, ou seja, ao passar por vários orifícios ou simplesmente na superfície, não há atrito entre ele. Você entende, tal propriedade pode ser bastante útil. Além disso, foi comprovado que, no estado superfluido, as substâncias também podem ser supercondutoras de alta temperatura.

Em uma palavra, se os cientistas pudessem transferir as substâncias conhecidas por nós para um estado superfluido sem problemas, muitos problemas poderiam ser resolvidos. Mas aqui está o problema - ainda é muito difícil fazer isso. Ao mesmo tempo, na década de 60 do século passado, foi sugerido que alguns sólidos, especialmente aqueles que formam cristais, também poderiam ter superfluidez. E os primeiros candidatos para o papel de tal foram chamados de cristais de hélio sólido, que são formados a uma pressão de mais de 25 atmosferas.

Em 2004, físicos americanos da Universidade de Alberta relataram a observação experimental de um efeito completamente inesperado - superfluidez em hélio sólido. No entanto, seus experimentos não puderam ser reproduzidos em outros laboratórios, pelo que a confiabilidade dos resultados deste trabalho foi questionada. Um pouco mais tarde, em 2009, físicos da Universidade da Califórnia em Berkeley conseguiram obter gás rubídio no estado de um sólido superfluido.

No entanto, essa direção foi reconhecida como pouco promissora - o fato é que é difícil trabalhar com rubídio. Embora esteja aproximadamente em 20º lugar em termos de prevalência na crosta terrestre (como cobre, níquel e zinco), no entanto, na natureza esse metal existe em estado disperso, sem formar minerais próprios e ocorrendo principalmente em conjunto com outros elementos alcalinos, por exemplo, com potássio. Ou seja, é bastante difícil de minerar, o que torna todas as pesquisas com ele muito caras.

Por causa disso, os cientistas decidiram novamente retornar ao amado hélio. Mas para investigar sua propriedade de superfluidez no estado sólido, primeiro é necessário cultivar esses mesmos cristais. Em princípio, isso não é difícil - para isso, você só precisa criar uma pressão acima de 25 atmosferas e diminuir a temperatura para -272 graus Celsius. Tem sido repetidamente demonstrado que em tal "congelador" um cristal é formado em quase segundos. No entanto, há outro "mas": quando os cristais de hélio crescem na presença da gravidade, eles são facilmente deformados. E isso afeta fortemente todas as suas propriedades, incluindo a superfluidez.

E recentemente, cientistas do Japão propuseram uma maneira muito original de lidar com esse problema - você só precisa cultivar cristais em gravidade zero! Além disso, não é necessário fazer isso no espaço - os pesquisadores usaram um pequeno avião a jato para seus experimentos. Afinal, com certas trajetórias de movimento, por exemplo, em vôo parabólico, esse avião poderia estar em gravidade zero por 20 segundos, o que é suficiente para fazer crescer um cristal normal. Como resultado, em 20 horas de voo, os físicos conseguiram realizar até oito experimentos!

Os experimentos foram assim: primeiro, os cristais primários foram cultivados usando tecnologia padrão e, em seguida, foram pulverizados com "gotas" de hélio-4, que já estava em estado superfluido. Tudo isso aconteceu em uma geladeira especial a bordo. Grandes cristais de hélio foram colocados em sua câmara de baixa pressão e depois esmagados com uma onda acústica para quebrá-los em pequenos pedaços. Depois de pulverizados com hélio-4 superfluido, os cristais menores derreteram, enquanto os maiores cresceram rapidamente, atingindo um tamanho de cerca de 10 mm.

Como resultado, os pesquisadores puderam observar completamente o processo de formação de cristais. Curiosamente, foi semelhante ao fenômeno chamado amadurecimento de Ostwald. Pode ser observado na vida cotidiana no exemplo do sorvete: com o tempo, cristais de gelo maiores prendem os pequenos a si mesmos e, como resultado, todo o produto fica duro e crocante. Mas neste caso, o amadurecimento de Oswald é bastante lento, mas com hélio, o efeito acabou sendo muito rápido - o processo levou segundos.

"Os cristais de hélio podem crescer muito rapidamente a partir de matéria superfluida. Este é um material ideal para estudar as propriedades fundamentais de tais cristais, pois eles se formam muito, muito rapidamente", disse o professor Nomura Ryuji, principal autor do estudo. Agora que os físicos finalmente conseguiram desenvolver o cristal perfeito de hélio sólido, será possível tentar testá-lo quanto à superfluidez.

A propósito, os cientistas americanos que descobriram essa propriedade em 2004, em resposta às críticas ao trabalho, apontaram que seus oponentes não tiveram sucesso devido ao fato de os cristais com os quais trabalharam serem deformados. Agora, os pesquisadores japoneses poderão verificar novamente os resultados de seus colegas usando um cristal já absolutamente normal cultivado em gravidade zero ...

© V.I. Strelov, B.G. Zakharov
© Museu Estadual de História da Cosmonáutica. K.E. Tsiolkovsky, Kaluga
Seção "K.E. Tsiolkovsky e problemas de produção espacial"
2008

Uma análise dos resultados de experimentos de crescimento de monocristais semicondutores sob condições reais de microgravidade a bordo de espaçonaves mostra que, em termos da totalidade das propriedades, os cristais obtidos em experimentos espaciais não foram melhores do que aqueles obtidos em condições terrestres. Via de regra, eles tinham uma microinomogeneidade significativa (bandas de crescimento) ou uma macroinhomogeneidade na distribuição do dopante ao longo do diâmetro e comprimento dos lingotes, cuja origem só pode ser associada a uma mudança na natureza e a um aumento na a intensidade da convecção no fundido. Portanto, a fim de alcançar alta homogeneidade das propriedades dos cristais crescidos, é necessário fornecer condições para difusão de calor e transferência de massa no fundido.

Essas condições e os parâmetros limitantes esperados dos cristais podem ser obtidos:

– na ausência de convecção termogravitacional,

– com exclusão da superfície livre do fundido,

– minimizando os efeitos externos quase estáticos sobre o fundido, que, sob condições de microgravidade, causam fluxos convectivos forçados neles devido à crescente sensibilidade gravitacional dos fundidos e, consequentemente, à falta de homogeneidade da composição e propriedades dos cristais crescidos.

Somente sob condições de difusão de calor e transferência de massa ocorrerá o crescimento livre de cristais sob condições estáveis ​​de temperatura através da auto-organização dos átomos, e a homogeneidade da composição e propriedades neste nível serão asseguradas. Nestas condições, é possível obter amostras de referência ou amostras de trabalho individuais, nas quais não apenas os parâmetros dos cristais serão determinados, mas também podem ser fabricadas amostras de dispositivos optoeletrônicos com os parâmetros máximos alcançáveis. No entanto, essas condições são atualmente difíceis de implementar.

Portanto, a principal tarefa das tecnologias espaciais não é organizar a produção em massa de cristais a partir de uma fusão no espaço, mas usar novos conhecimentos sobre os processos de cristalização obtidos no espaço em tecnologias terrestres com máxima aproximação às condições que garantem a minimização dos processos convectivos .

As modernas tecnologias de instrumentação requerem cristais dopados altamente uniformes com um diâmetro de várias centenas de milímetros. Ao mesmo tempo, seu cultivo requer instalações de várias toneladas, o que não é realista e não há necessidade de colocá-los no espaço, principalmente quando têm uma alternativa na Terra, minimizando os processos convectivos em derretimentos. Como segue da análise de estudos experimentais e teóricos de processos de transferência de calor e massa em fundidos de semicondutores, este é um problema puramente técnico: em primeiro lugar, é a minimização do gradiente de temperatura radial, a precisão da orientação da direção de cristalização e a ausência de uma superfície livre do fundido.