© I. Zh. Bezbakh, V. I. Strelov și B. G. Zakharov
© Muzeul de Stat de Istorie a Cosmonauticii. K.E. Ciolkovski, Kaluga
Secțiunea „K.E. Tsiolkovsky și problemele producției spațiale”
2004

Una dintre domeniile importante atât ale biotehnologiei terestre, cât și ale biotehnologiei spațiale este obținerea de cristale de biomacromolecule pentru a determina structura lor spațială prin metode cristalografice și pentru a utiliza în continuare informațiile obținute în scopuri biologice, medicale și industriale.

În ultimele decenii, s-au obținut rezultate pe sute de macromolecule și mii de cristale ale acestora, tehnicile de cristalizare au fost îmbunătățite semnificativ, știința creșterii cristalelor de biomateriale din empiric devine din ce în ce mai precisă. Cu toate acestea, producția stabilă de biocristale de o dimensiune și uniformitate adecvate pentru cercetare este încă o problemă în întreg acest proces. Până în prezent, aproximativ 35% din cristalele de proteine ​​cultivate comercial în condiții de spațiu s-au dovedit a fi de o calitate structurală mai mare decât cele obținute în condiții similare pe Pământ. În imponderabilitate, a fost posibil să se obțină biocristale care sunt superioare ca volum și rezoluție față de oricare dintre omologii lor terestre. Cu toate acestea, restul de 65% dintre cristale, contrar prognozelor, s-au dovedit a fi de o calitate mai proastă decât omologii lor terestre.

În acest sens, este important să se determine care factori sunt determinanți în ceea ce privește calitatea biocristalelor obținute. Datorită forțelor slabe de legătură dintre moleculele din biocristale, influența atât a condițiilor externe, cât și a factorilor interni asupra procesului de cristalizare poate fi decisivă. De obicei, se consideră că este necesară o tranziție la condiții pur de difuzie. Acest lucru este pe deplin realizabil atunci când se efectuează experimente în imponderabilitate.

Principalul punct negativ care afectează procesul de cristalizare a biomaterialelor pe Pământ este următorul: în condiții terestre, pe lângă transferul de masă prin difuzie, este tipică apariția fluxurilor convective în soluție, care, dacă sunt mari, pot avea un efect extrem de negativ. efect asupra proceselor de creștere și a calității cristalelor rezultate. Se poate observa și precipitarea cristalelor, care perturbă simetria furnizării lor de biomaterial dizolvat și le afectează forma. În același timp, încercările de a realiza cristalizarea biomaterialului în diverse moduri datorită mecanismului exclusiv de difuzie duce la o creștere semnificativă a timpului necesar experimentului și o scădere a stabilității condițiilor experimentale.

În condiții de spațiu, aceste neajunsuri pot fi eliminate. Cu toate acestea, efectele vibraționale încep de obicei să își aibă efectul, mai ales semnificativ la bordul Stației Spațiale Internaționale. În același timp, sunt importante modalitățile de influență a acestora și mecanismele de compensare a acestora.

Studierea ulterioară a procesului de cristalizare a biomaterialelor pentru a-l înțelege mai bine, îmbunătățirea metodelor și echipamentelor de cristalizare, reducerea influenței condițiilor externe asupra procesului etc. vor face posibilă efectuarea de experimente spațiale cu obținerea de biocristale perfecte.

După ce și-au încheiat cu succes misiunea de cercetare în primăvara anului 2013, a venit rândul lui „Photon”. În exterior, navele spațiale sunt frați gemeni. Dar sarcinile științifice diferă. „Foton-M” numărul 4 este conceput pentru a efectua experimente pe orbită în domeniul tehnologiei spațiale pentru producția de semiconductori în microgravitație, biotehnologie pentru a obține noi cunoștințe în fizica imponderabilității. „Photonul” va intra pe orbită într-o săptămână.

În viața de zi cu zi, nici nu credem că sarea, zahărul, metalele, pietrele prețioase sunt toate cristale. Astăzi, niciun dispozitiv electronic nu se poate descurca fără ele.

„Prima plantă spațială pentru creșterea cristalelor. În 1976, pe ea s-au cultivat cristale de aluminiu-potasiu la stația Salyut-5. Nu au fost necesare condiții speciale pentru creșterea lor, nici temperaturi speciale, nici presiune, oamenii de știință trebuiau să vadă cum lipsește. gravitația afectează rețeaua cristalină. Și, se pare, altceva a mai rămas aici de atunci”, Ksenia Zima examinează conținutul instalației spațiale pentru creșterea cristalelor.

Studiile privind creșterea cristalelor pe orbită au arătat că proteinele cresc cel mai bine acolo.

", una dintre sarcini este de a obține un cristal foarte curat, de a obține un cristal omogen. Pentru proteine, suprimarea convecției este un factor favorabil. În spațiu, mișcarea lichidului este suprimată, așa că ele cresc mai bine acolo", explică. Alexei Voloshin, director adjunct al Institutului de Cristalografie al Academiei Ruse de Științe.

La Baikonur, instalarea echipamentelor științifice în nava spațială „Photon-M” a fost finalizată. Începutul vine în curând. La bordul satelitului se află instrumente pentru zeci de experimente în cristalografie, știința materialelor, biologie și microbiologie. Și aceasta este doar o parte din indicații. Într-un cuvânt, „Photon” este un grup de idei științifice.

"Unicitatea este că "fotonii" anteriori nu au zburat cu noi mai mult de 20 de zile. Acest zbor este planificat pentru 60 de zile. Acesta este primul. În al doilea rând, această navă spațială are un sistem de propulsie, putem ridica dispozitivul la un orbită mai înaltă. Vom zbura la o altitudine de 500 de kilometri", a declarat Valery Abrashkin, șeful rachetei și centrului spațial TsSKB-Progress.

Cu cât este mai mare, cu atât mai bine, spun oamenii de știință. 500 de kilometri – aproape de spațiu: atmosfera nu mai afectează atât de mult, gravitația foarte slabă, ceea ce înseamnă că puritatea experimentelor va fi mare.

"Zburăm 22 de tipuri de echipamente pe această navă spațială. Fiecare echipament are mai multe experimente. Adică, am încercat să aranjam nava spațială în așa fel încât oamenii de știință din diverse domenii de cercetare să-și poată realiza experimentele și să obțină informațiile științifice necesare." a continuat Valeri Abrașkin.

În exterior, „Photon” este similar cu aparatul biologic științific „Bion”. Frați gemeni. O capsulă rotundă, care este umplută cu instrumente științifice. La întoarcerea din spațiu, nu arde în atmosferă, toate experimentele se întorc pe Pământ.

Spre deosebire de Photon, biosateliții au un sistem de susținere a vieții. Se menține o anumită temperatură, presiune, nivel de oxigen, deoarece principalii pasageri ai Bionului sunt organisme vii. „Fotonii” nu transportă pasageri; oamenii de știință efectuează experimente tehnologice asupra lor.

"Sarcina utilă este unul dintre dispozitivele de cristalizare a proteinelor care vor zbura pe Foton. Dispozitivul se bazează pe principiul contra-difuziei unui lichid", spune Alexei Voloshin.

Pe orbită pot fi obținute structuri proteice mai precise. Pentru farmaciști, acesta este de mare ajutor în crearea de noi medicamente eficiente.

"Dacă este o proteină a unei bacterii dăunătoare, atunci este selectată o substanță care ar trebui să suprime structura acestei proteine. Dacă proteina îndeplinește o funcție utilă, ei selectează o substanță care ar trebui să îmbunătățească această funcție", spune Alexei Voloshin, director adjunct. al Institutului de Cristalografie al Academiei Ruse de Științe, despre esența experimentelor.

Stomatologi adevărați lucrează într-un alt laborator. Găurile de bazalt, în care se află microorganismele, sunt sigilate. Plăcile cu microbi vor fi atașate la exteriorul navei Photon.

Bacteriile vor trebui să reziste radiațiilor cosmice, iar la întoarcere - temperaturi ridicate. Dacă nu vor muri - susținătorii teoriei panspermiei - că meteoriții au semănat viață pe Pământ - vor avea un argument puternic.

"După plantare, bazaltul încălzit este scos și apoi se uită să vadă dacă microorganismele au supraviețuit. Așa este testată teoria panspermiei", spune Vladimir Sychev, director adjunct al Institutului de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe. .

Speciali au fost selectați microbi, care vor rezista la temperaturi gigantice de sute de grade. Adevărat, un astfel de experiment nu a funcționat pentru colegii străini - bacteriile au murit. Cu toate acestea, rezultatul negativ i-a inspirat doar pe microbiologii noștri.

"Noi, inspirați de experiența colegilor noștri europeni, am decis să extindem spectrul de microorganisme. Împreună cu Institutul de Microbiologie al Academiei Ruse de Științe Medicale, am creat o colecție a acelor culturi și asociații care ar putea fi aduse pe Pământ ca parte din meteoriți”, a spus Vyacheslav Ilyin, șeful laboratorului de la Institutul de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe.

Pentru prima dată pe acest „Foton” va fi încălcată regula principală: nu transportați animale. Pe nava spațială în cabina lui special echipată.

„Această specie trăiește pe insula Mauritius, principalele motive pentru care a fost aleasă această specie este dimensiunea ei mică, iar principalul motiv pentru care această specie se poate descurca fără hrana vie, ceea ce le va permite să existe perfect timp de 2 luni”, subliniază angajat științific principal al Institutului de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe Rustam Berdiev.

Principala caracteristică a acestor animale, care a atras oamenii de știință, gecoșii se pot agăța de orice suprafață. Prin urmare, în gravitate zero, ei nu zboară, ci își trăiesc viața obișnuită și se simt grozav. Ei bine, dacă doar în timpul startului vor fi aruncați puțin.

„Se fixează la suprafață, sunt de multe tipuri, unele au ventuze speciale sau cârlige mici pe labe, se lipesc de orice suprafață, pentru ei suprafața este mai importantă decât gravitația. Se lipesc de suprafața pereților și nu Nu am experimentat stresul de flotație. Așa că, pentru prima dată în istorie, am reușit să scăpăm de stres", a declarat Serghei Solovyov, șeful laboratorului de la Institutul de Cercetare a Morfologiei Umane.

Numeroase experimente pe gecoși au sugerat oamenilor de știință cum să facă față impactului negativ al imponderabilitatii asupra oamenilor. Dintr-o ședere lungă pe orbită, astronauții sunt spălați de calciul din organism. Acest lucru nu a fost observat la gecoși.

"S-a dovedit că modelul clasic este demineralizarea scheletului, s-a dovedit, gecoși care se pot atașa la suprafață. Acest lucru le salvează oasele de demineralizare. Geckos au arătat modul în care trebuie să ne dezvoltăm în continuare pentru a reduce demineralizarea scheletului astronauților”, notează Serghei Solovyov.

Trimiterea vehiculelor în spațiu doar de dragul științei a început acum 40 de ani. De atunci, au fost lansați zeci de sateliți. Pe orbită erau maimuțe, șoareci, pești. Și fiecare astfel de zbor este încă un pas către visul prețuit al omenirii - zborurile interplanetare.

Într-o centură largă a spațiului apropiat Pământului, la o altitudine de peste trei sute până la 35.800 de kilometri, unde sateliții staționari se rotesc sincron cu planeta noastră, Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA) prevede dezvoltarea industriei. Lucrând în acest spațiu fără aer în condiții de imponderabilitate completă, întreprinderile spațiale vor putea produce noi materiale care costă zeci de mii de dolari pe kilogram pe Pământ. Centralele electrice cu un sistem complex de panouri solare vor putea să transforme energia Soarelui în electricitate și să o transmită Pământului. Avioanele spațiale vor servi industria cerească.
Între timp, reprezentanții industriei pământului reacționează la aceste planuri promițătoare în moduri diferite și, în general, foarte rezervat. Pe de o parte, întreprinderile industriale de top care au contractat NASA pentru dezvoltarea de echipamente spațiale și procese experimentale sunt entuziaste, în timp ce alte corporații industriale, puțin conștiente de noile inițiative, sunt sceptice. Robert A. Frosch, directorul NASA, a spus că misiunea sa este „de a oferi acces la spațiu și de a dezvolta procese tehnologice de bază pe care un potențial consumator trebuie să le evalueze înainte de a decide să investească”.
Laboratorul cu autoservire de la bordul avionului spațial va fi prima unitate de producție din spațiu. Membrii echipajului, după ce au primit o pregătire adecvată, vor crea aliaje metalice în cuptoare electrice de topire, dintre care unul este prezentat lângă peretele din stânga din imagine. În camera de lucru, cercetătorii dotați cu cizme cu ventuză se vor putea deplasa la înălțimea maximă.
În compartimentul de comandă, ei vor „pluti” prin ecluza adiacentă. De-a lungul peretelui din dreapta al laboratorului vor fi cuști pentru animale de experiment.

Ilustrație de Nicholas Solovyov

Cu toate acestea, scepticismul corporațiilor interesate de profituri poate fi prea exagerat. Faptul este că NASA nu este nouă în spațiu și își construiește planurile pe baza experimentelor de succes efectuate în timpul zborurilor orbitale anterioare. Aceste experimente, desfășurate în principal la bordul stației spațiale Skylab și în timpul zborurilor comune ale sondelor spațiale Apollo și Soyuz, au demonstrat că lucruri uimitoare se întâmplă corpurilor fizice din afara gravitației pământului: cristalele cresc mai uniform, în unele cazuri de zece ori dimensiunea. de exemplare terestre; Compușii biologici pot fi separați și sortați mai ușor, ceea ce duce la speranța că se pot produce vaccinuri mai curate și noi produse farmaceutice. În plus, în cursul zborurilor anterioare a devenit clar că în spațiu este posibil să se dezvolte noi tipuri de sticlă, diferite superaliaje, precum și o serie de materiale de diferite densități cu proprietăți necunoscute pe Pământ. Unii oameni de știință cred că zborurile cu avioane spațiale vor marca începutul unor noi invenții, care, prin semnificația lor, pot fi asemănate cu o pompă de vid dezvoltată în secolul al XVII-lea.
În această etapă, o apreciere a acestei zone încă neexplorate este posibilă doar dacă câteva corporații industriale fac un pas în spațiu, căci nicio întreprindere industrială nu ar trebui să ignore noua eră a marilor schimbări în pragul căreia ne aflăm pe fundalul actualului tehnologic. progres.
Avantajele producției spațiale sunt cel mai ușor explicate prin dezavantajele terestre, dintre care gravitația este principala. Majoritatea materialelor solide trec printr-o etapă de înmuiere sau topire în procesele de creare sau prelucrare a acestora, iar acolo unde există gravitația, acestea trebuie să fie ținute de pereții unui container sau altuia - cauza defectelor materiale.
În plus, gravitația provoacă curenți convectivi care urmează gradienții de temperatură în straturile fluide. Curenții convectivi, de natură haotică și schimbătoare, conduc adesea la diferențe structurale și de compoziție neașteptate și nedorite ale materialelor solide, cum ar fi formarea de zone moi sau lichefiate. Gravitația separă și moleculele, lăsând cavități în care se adună impurități străine. Dacă un lichid este compus din doi sau mai mulți constituenți, gravitația tinde să separe aceste materiale, rupându-le omogenitatea în stare solidă.
Acest efect nociv al gravitației a chinuit mai mult de o generație de industriași de la turnarea primelor statui de bronz; din cauza ei, metalele nu ar putea niciodată să atingă rezistența și alte caracteristici cu care le înzestrează teoria. Deci, de exemplu, oțelul ar putea fi de zece sau chiar de o sută de ori mai puternic decât cel actual. Paletele unui motor cu reacție se dezintegrează la o temperatură care ar crește foarte mult eficiența acestuia. Micro-firele stimulatorului cardiac sau pinii de grefare osoasa (costul ambelor este mare, ca sa nu mai vorbim de trauma inlocuirii lor) se uzeaza mai repede decat ar trebui teoretic.
În condiții de imponderabilitate spațială, majoritatea acestor dificultăți în producția de materiale sunt absente. Desigur, strict vorbind, gravitația zero nu există, deoarece fiecare particulă și fiecare atom se atrage reciproc. Cu toate acestea, la bordul unui avion spațial, imponderabilitate se va apropia de acest zero de neatins: într-un zbor calm, va fi egală cu o milioneme din gravitația pământului, dar când astronauții pornesc rachete auxiliare pentru a corecta cursul sau, să zicem, să înceapă să se deplaseze. cizmele lor cu ventuză, imponderabilitate va crește la o miime din gravitația pământului, pe care oamenii de știință o numesc „microgravitație”. O firmă de cercetare NASA va sublinia că gravitația împiedică producerea a cel puțin patru sute de aliaje diferite. Multe dintre ele sunt combinații de metale care, precum uleiurile și apa, nu se amestecă în condiții terestre. Dar, în condiții de imponderabilitate, se amestecă până la microscări și, după ce s-au întărit, dobândesc o putere fără precedent și proprietăți electrice, magnetice și alte proprietăți fizice necunoscute. Aceste aliaje metalice pot fi folosite pentru a face mașini puternice și ușoare, mobilier aproape fără greutate etc. Firmele de energie electrică sunt interesate în special de aliajele supraconductoare capabile să transmită electricitate la temperaturi scăzute, practic fără pierderi de energie.
Deci, de exemplu, cuprul și plumbul sau plumbul și aluminiul, aliate în anumite proporții, prezintă proprietățile lubrifierii reciproce, care, poate, îi vor ajuta pe designeri să creeze un astfel de motor de automobile care va dura opt sute sau mai mult de mii de kilometri de mașină. .
Multe dintre aceste materiale pot fi produse numai în spațiu folosind așa-numita metodă fără container: metalul lichid se solidifică fără a atinge nimic. Acest lucru este posibil datorită „plutirii”, care este caracteristică fiecărui obiect din spațiu. O probă de lichid sau solid poate fi agățată fără efort în câmpuri acustice, electromagnetice sau electrostatice. Deoarece forțele secundare precum tensiunea superficială predomină în spațiu, materialul topit ia automat forma unei sfere. Sferei i se poate da forma dorită numai printr-o influență nesemnificativă a forțelor externe asupra ei. Pe Pământ, procesul fără container nu a mers departe, deoarece aici necesită un impact masiv al forțelor externe. În spațiu, undele sonore ale unui jucător obișnuit vor face ca o minge de oțel să se înalțe.
Procesul fără container poate duce la o îmbunătățire a microstructurii wolframului, unul dintre metalele refractare (temperatura de topire 3410°C), care în stare topită este deosebit de predispusă la contaminare. Impuritățile străine formate în creuzet împiedică producția de sticlă optică pură și cresc costul producerii fibrelor de sticlă de înaltă calitate necesare pentru noile linii de comunicație dezvoltate de compania American Telephone and Telegraph și alții. Sticla realizată în spațiu, care are o refracție și o dispersie unică, va găsi o aplicație largă în tehnologia laser și alte sisteme optice. „Lista instrumentelor optice se va dubla”, prezice Ralph Happe, specialist în producția de sticlă la Rockwell International Corporation.
Dar, poate, cele mai largi perspective în viitorul apropiat se deschid în industria spațială pentru cristale, care au devenit o parte integrantă a electronicii și opticii electronice. În electronică, ei folosesc proprietatea unui cristal de a conduce electronii în condiții strict definite și complet controlate, în optică - transparența acestuia, care nu poate fi comparată nici măcar cu sticla de cea mai bună calitate, care, datorită structurii sale amorfe, împrăștie parțial lumina.
Cultivarea cristalelor pe Pământ este în general considerată nu o știință, ci o artă. Specialiștii care cultivă cele mai mari cristale în formă de morcov, care sunt folosite la fabricarea circuitelor integrate semiconductoare, se autointitulează „crescători de cristale”, ceea ce, de fapt, nu este departe de adevăr. Deși cristalele nu sunt ființe vii, ele sunt oarecum ca plantele. Cristalele necesită hrană și se întind spre sursa de nutriție. Și aici, așa cum a spus un cercetător, „fabricatorul de cristale adaugă puțin din asta, puțin din asta, la fel ca o rețetă”. Distribuția uniformă a tuturor acestor impurități importante, care înzestrează cristalul semiconductor cu proprietățile electronice necesare, este greu de realizat în condiții terestre din cauza curenților convectivi provocați de gravitație. Drept urmare, „recolta” pământului de cristale potrivite pentru semiconductori este mică.
Succesul creșterii cristalelor în spațiu este evidențiat în mod elocvent de experimentele efectuate la bordul stației orbitale Skylab. Experimentele lui Bali au fost dezvoltate de Harry Gatos, un profesor MIT specializat în rezistența materialelor și design ingineresc. Astronauții au reușit să obțină o probă dintr-un cristal de indiu-antimoniură. Măsurând conductivitatea probei pe întreaga sa lungime, Gatos a descoperit că proprietățile electrice ale cristalului erau constante. Într-un cristal similar, crescut în condiții terestre, aceste proprietăți s-au schimbat de la un capăt la altul. În timpul zborului comun Apollo-Soyuz, Gatos a reușit să crească aceeași probă ideală de cristal de germaniu. Și deși aceste experimente, din cauza circumstanțelor, au fost foarte simple, au depășit totuși toate așteptările.
Creșterea cristalelor în spațiu va relua odată cu începerea primelor zboruri ale avioanelor spațiale de laborator. Ca dovadă, un exemplu este dat cu arseniura de heliu, care este utilizat pe scară largă în producția de LED-uri emitente, lasere, dispozitive cu microunde și alte echipamente tehnice. O liră (450 de grame) de arseniură de galiu de nu foarte înaltă calitate valorează în prezent 15.000 de dolari. Ca rezultat, costul de producție al acestui cristal este o mică parte din prețul său de vânzare. Cristalele din spațiul cosmic oferă un număr mult mai mare de circuite integrate semiconductoare perfecte și justifică astfel prețul ridicat al cristalului. Dacă calitatea înaltă a cristalelor dă naștere unei noi zone de aplicare, atunci ele nu vor avea literalmente niciun preț.
Un alt produs susceptibil de a fi profitabil este o minge minuscula realizata dintr-un plastic foarte comun - latexul de polistiren. Pe Pământ pot fi făcute bile cu un diametru mai mic de doi microni și mai mult de 40 de microni, dar bile de dimensiuni intermediare se dovedesc a fi instabile și, din motive tehnice complexe, nu pot fi produse în serie. Și oamenii de știință au mare nevoie de astfel de diametre medii. Dacă, de exemplu, bile de diferite diametre au fost introduse într-o cultură bacteriană înainte ca aceasta să fie analizată la microscop electronic, atunci, cu ajutorul lor, oamenii de știință ar putea face măsurători precise ale multor obiecte de la viruși până la găurile din diafragme. În plus, bile minuscule pot fi folosite pentru a calibra microscopul electronic în sine și alte instrumente.
Spațiul este plin de oportunități largi pentru progresul în continuare al biologiei și medicinei. Microgravitația va ajuta oamenii de știință să separe anumite tipuri de celule, componente și produse celulare și proteine. Vaccinurile vor dobândi o puritate de neatins pe Pământ. Zborurile anterioare au oferit nu numai informații valoroase, ci și o lecție pentru viitor; În timpul experimentului cu ADN-ul laptelui de somon, bacteriile au intrat în mediu și l-au distrus complet.
Chestia este că sute de substanțe biologice de pe Pământ nu sunt susceptibile nici de sinteza, nici de separare din cauza acelorași curenți convectivi care dau compoziții neuniforme și imprevizibile. Multe dintre aceste produse biologice complexe sunt produse de corpul uman. Urokinaza, de exemplu, promovează activarea enzimelor care dizolvă cheaguri de sânge și doar cinci la sută din celulele hepatice sunt implicate în producerea acestei substanțe chimice valoroase. Sarcina laboratoarelor spațiale este să separe aceste celule și apoi, în scopul reproducerii, să le cultive pe Pământ. Celulele hepatice izolate în zborul Apollo-Soyuz au produs de șapte ori mai multă urokinază decât de obicei, dar din motive pe care oamenii de știință sunt interesați să le afle, aceste celule au încetat să producă urokinază pe Pământ.
Hormonii produși de organism și alte substanțe, precum agentul antiviral interferonul sau endorfinele - analgezice ale creierului, pot fi obținuți și în formă pură în spațiu. Următorul candidat pentru laboratoarele orbitale sunt eritropoietinele, produse de rinichi și care stimulează formarea globulelor roșii din măduva osoasă roșie. Nimeni nu a reușit încă să producă eritropoietine pure pe Pământ.
Cu toate acestea, oamenii de știință au făcut progrese mari în studiul celulelor sanguine, descoperind în ele o serie de noi substanțe care acționează ca agenți de imunizare. În condiții de imponderabilitate, oamenii de știință speră să izoleze noi medicamente care vor ajuta la combaterea, să zicem, artrita reumatoidă, care nu este susceptibilă de acțiunile protectoare ale mecanismelor imunitare. John Carruthers, directorul programului de dezvoltare a materialelor al NASA, prezice că „într-o zi vor începe să vină medicamentele din spațiu”.
Pe lângă imponderabilitate, un alt avantaj important al spațiului este puritatea și subțirea atmosferei la o altitudine de 300 de kilometri. Robert T. Frost, director de cercetare spațială la General Electric, numește atmosfera superioară „cea mai bună cameră cu vid din lume”. Dar aici este necesar să faceți o rezervare. În zona zborurilor cu navetă, spațiul cosmic nu va fi atât de curat pe cât și-ar dori cercetătorii, deoarece gazele de eșapament de la motoarele de rachete și resturile din compartimentele de marfă vor însoți invariabil orbitatorii. În plus, chiar și la această altitudine, există o atmosferă compusă din atomi de oxigen împrăștiați și creând o presiune egală cu doar zece miliarde de presiune a pământului deasupra nivelului mării. În acest sens, NASA intenționează să construiască un scut spațial pe brațul din nas al dispozitivului. „Aerul” cu viteză cosmică va curge în jurul scutului și va forma un vid aproape perfect în spatele lui. Frost crede că, în acest spațiu ultrapur, costul producerii peliculei subțiri pentru celulele solare va fi de doar un procent din costul producerii acestuia pe Pământ.
Desigur, toate aceste miracole nu se vor întâmpla într-o singură zi. În viitor, astronauții își vor găsi mai multe utilizări. Ei vor trebui să instaleze centrale electrice în spațiu pentru a transmite energie solară pe Pământ și pentru a îndeplini alte funcții. În viitorul previzibil, este posibil ca NASA să devină un fel de centru de servicii publice. Deținând toate activele spațiului, conducerea își va vinde serviciile către corporații industriale din întreaga lume. Cu toate acestea, nu este exclusă posibilitatea ca NASA să-și transfere afacerile unei firme private. Compania aeriană Boeing, de exemplu, crede că ar putea profita din exploatarea comercială a avioanelor spațiale.

Recent, oamenii de știință din Japonia au reușit să crească cristale ideale de heliu solid, ceea ce este foarte dificil de realizat în laboratoarele terestre - se deformează ușor sub influența gravitației. Cu toate acestea, cercetătorii au acționat într-un mod foarte original - au crescut cristale de heliu în gravitate zero, care au fost create la bordul unui avion cu reacție.

Înainte de a începe o poveste despre cristalele solide de heliu, este necesar să ne amintim de ce oamenii de știință aveau nevoie de ele. După cum știm, printre diferitele stări agregate ale materiei, pe lângă lichide, solide și gazoase, există și una care se numește condensat Bose-Einstein. In aceasta stare, materia nu este formata din molecule si atomi, ci din bosoni raciti la temperaturi apropiate de zero absolut.

Una dintre proprietățile interesante ale condensatului Bose-Einstein este superfluiditatea - o stare în care are vâscozitate zero, adică atunci când trece prin diferite găuri sau pur și simplu la suprafață, nu există deloc frecare între el. Înțelegi, o astfel de proprietate poate fi destul de utilă. În plus, s-a dovedit că, în stare superfluid, substanțele pot fi și supraconductori la temperatură înaltă.

Într-un cuvânt, dacă oamenii de știință ar putea transfera fără probleme substanțele cunoscute de noi într-o stare superfluid, multe probleme ar putea fi rezolvate. Dar aici este problema - este încă destul de dificil să faci asta. În același timp, în anii 60 ai secolului trecut, s-a sugerat că unele solide, în special cele care formează cristale, ar putea avea și superfluiditate. Și primii candidați pentru acest rol au fost numiți cristale solide de heliu, care se formează la o presiune de peste 25 de atmosfere.

În 2004, fizicienii americani de la Universitatea din Alberta au raportat observarea experimentală a unui efect complet neașteptat - superfluiditatea în heliu solid. Cu toate acestea, experimentele lor nu au putut fi reproduse în alte laboratoare, drept urmare fiabilitatea rezultatelor acestei lucrări a fost pusă la îndoială. Puțin mai târziu, în 2009, fizicienii de la Universitatea din California din Berkeley au reușit să obțină rubidiu gazos în stare de solid superfluid.

Cu toate acestea, această direcție a fost recunoscută ca nepromițătoare - adevărul este că este dificil să lucrezi cu rubidiu. Deși se află aproximativ pe locul 20 în ceea ce privește prevalența în scoarța terestră (cum ar fi cuprul, nichelul și zincul), totuși, în natură, acest metal există în stare dispersată, fără a-și forma propriile minerale și apar în principal împreună cu alte elemente alcaline, de exemplu, cu potasiu. Adică, este destul de dificil de mine, ceea ce face ca toate cercetările cu el să fie foarte costisitoare.

Din această cauză, oamenii de știință au decis din nou să se întoarcă la îndrăgitul heliu. Dar pentru a investiga proprietățile sale de suprafluiditate în stare solidă, este mai întâi necesar să crească aceleași cristale. În principiu, acest lucru nu este dificil - pentru aceasta, trebuie doar să creați o presiune peste 25 de atmosfere și să reduceți temperatura la -272 de grade Celsius. S-a demonstrat în mod repetat că într-un astfel de „congelator” se formează un cristal în aproape secunde. Totuși, există un alt „dar”: când cristalele de heliu cresc în prezența gravitației, ele se deformează ușor. Și acest lucru afectează puternic toate proprietățile lor, inclusiv superfluiditatea.

Și recent, oamenii de știință din Japonia au propus o modalitate foarte originală de a face față acestei probleme - trebuie doar să crești cristale în gravitate zero! Mai mult, nu este deloc necesar să se facă acest lucru în spațiu - cercetătorii au folosit un mic avion cu reacție pentru experimentele lor. La urma urmei, cu anumite traiectorii de mișcare, de exemplu, în zborul parabolic, acest avion ar putea fi în gravitație zero timp de 20 de secunde, ceea ce este suficient pentru a crește un cristal normal. Drept urmare, în 20 de ore de zbor, fizicienii au reușit să efectueze până la opt experimente!

Experimentele au decurs astfel: mai întâi, cristalele primare au fost crescute folosind tehnologia standard și apoi au fost pulverizate cu „picături” de heliu-4, care era deja într-o stare superfluid. Toate acestea s-au întâmplat într-un frigider special de la bord. Cristale mari de heliu au fost plasate în camera sa de presiune inferioară și apoi zdrobite cu o undă acustică pentru a le rupe în bucăți mici. După ce au fost pulverizate cu heliu-4 superfluid, cristalele mai mici s-au topit, în timp ce cele mai mari au crescut rapid, ajungând în cele din urmă la o dimensiune de aproximativ 10 mm.

Drept urmare, cercetătorii au putut observa pe deplin procesul de formare a cristalelor. Interesant este că a fost similar cu fenomenul numit maturare Ostwald. Poate fi observat în viața de zi cu zi pe exemplul înghețatei: în timp, cristalele de gheață mai mari din ea se leagă pe cele mici și, ca urmare, întregul produs devine tare și crocant. Dar în acest caz, coacerea Oswald este destul de lentă, dar cu heliu, efectul s-a dovedit a fi foarte rapid - procesul a durat câteva secunde.

„Cristalele de heliu pot crește foarte repede din materia superfluid. Acesta este un material ideal pentru studiul proprietăților fundamentale ale unor astfel de cristale, deoarece se formează foarte, foarte repede”, a spus profesorul Nomura Ryuji, autorul principal al studiului. Acum că fizicienii au reușit în sfârșit să crească cristalul perfect de heliu solid, va fi posibil să încercăm să îl testăm pentru superfluiditate.

Apropo, oamenii de știință americani care au descoperit această proprietate în 2004, ca răspuns la criticile aduse lucrării, au subliniat că adversarii lor nu au reușit din cauza faptului că cristalele cu care lucrau erau deformate. Acum, cercetătorii japonezi vor putea să verifice din nou rezultatele colegilor lor folosind un cristal deja complet normal crescut în gravitate zero...

© V.I. Strelov, B.G. Zakharov
© Muzeul de Stat de Istorie a Cosmonauticii. K.E. Ciolkovski, Kaluga
Secțiunea „K.E. Tsiolkovsky și problemele producției spațiale”
2008

O analiză a rezultatelor experimentelor privind creșterea monocristalelor semiconductoare în condiții reale de microgravitație la bordul navelor spațiale arată că, din punct de vedere al totalității proprietăților, cristalele obținute în experimentele spațiale nu au fost mai bune decât cele obținute în condiții terestre. De regulă, au avut fie o microneomogenitate semnificativă (benzi de creștere), fie o macroneomogenitate în distribuția dopantului pe diametrul și lungimea lingourilor, a cărui origine poate fi asociată doar cu o schimbare a naturii și o creștere a intensitatea convecției în topitură. Prin urmare, pentru a obține o omogenitate ridicată a proprietăților cristalelor crescute, este necesar să se asigure condiții pentru difuzia căldurii și transferul de masă în topitură.

Aceste condiții și parametrii limitatori așteptați ai cristalelor pot fi obținute:

– în absența convecției termogravitaționale,

– cu excluderea suprafeței libere a topiturii,

– minimizând în același timp efectele externe cvasistatice asupra topiturii, care, în condiții de microgravitație, provoacă fluxuri convective forțate în acestea datorită creșterii sensibilității gravitaționale a topiturii și, în consecință, neomogenității compoziției și proprietăților cristalelor crescute.

Numai în condiții de difuzie a căldurii și transfer de masă se va produce creșterea liberă a cristalelor în condiții de temperatură stabilă prin autoorganizarea atomilor, iar omogenitatea compoziției și proprietăților la acest nivel va fi asigurată. În aceste condiții, este posibil să se obțină mostre de referință sau probe individuale de lucru, pe care nu se vor determina doar parametrii cristalelor, ci și pe ele pot fi fabricate mostre de dispozitive optoelectronice cu parametrii maximi realizabili. Cu toate acestea, aceste condiții sunt în prezent dificil de implementat.

Prin urmare, sarcina principală a tehnologiilor spațiale nu este de a organiza producția de masă de cristale dintr-o topire în spațiu, ci de a folosi noile cunoștințe despre procesele de cristalizare obținute în spațiu în tehnologiile terestre cu aproximare maximă la condițiile care asigură minimizarea proceselor convective. .

Tehnologiile moderne de instrumentare necesită cristale dopate extrem de uniforme, cu un diametru de câteva sute de milimetri. În același timp, cultivarea lor necesită instalații de mai multe tone, care sunt nerealiste și nu este nevoie să le plaseze în spațiu, mai ales când au o alternativă pe Pământ prin minimizarea proceselor convective în topituri. După cum rezultă din analiza studiilor experimentale și teoretice ale proceselor de transfer de căldură și masă în topiturile semiconductoare, aceasta este o problemă pur tehnică: în primul rând, este vorba de minimizarea gradientului radial de temperatură, precizia orientării direcției de cristalizare și absența unei suprafețe libere a topiturii.