ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Σήμερα, πολλά επιτεύγματα της αστροναυτικής χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους κλάδους της εθνικής οικονομίας. Η χρήση τεχνητών δορυφόρων της Γης για τις ανάγκες των επικοινωνιών, της τηλεόρασης, της μετεωρολογίας, της χαρτογραφίας, της πλοήγησης, για τη μελέτη φυσικοί πόροι, προς το συμφέρον της γεωλογίας, της γεωργίας, της δασοκομίας, της αλιείας, έχει εισέλθει σταθερά στις καθημερινές δραστηριότητες της ανθρωπότητας. Ωστόσο, η συνεχής βελτίωση των διαστημικών εγκαταστάσεων ανοίγει όλο και περισσότερες νέες δυνατότητες εφαρμογής τους στην εθνική οικονομία και επιστήμη. Ένας από τους πολλά υποσχόμενους τομείς της κοσμοναυτικής είναι η παραγωγή νέων υλικών στην όσμωση. Μια πρακτική λύση σε αυτό το σημαντικό επιστημονικό και τεχνικό πρόβλημα κατέστη δυνατή στο τα τελευταία χρόνιαχάρη στις επιτυχίες που επιτεύχθηκαν στη δημιουργία μακροπρόθεσμων επανδρωμένων τροχιακών σταθμών και οχημάτων μεταφοράς σχεδιασμένων να παραδίδουν αστροναύτες σε αυτούς τους σταθμούς και να επιστρέφουν στη Γη μαζί με τα απαραίτητα αναλώσιμα υλικά (φωτογραφικό φιλμ, καύσιμα, προμήθειες τροφίμων κ.λπ.).
Η έρευνα στον τομέα της παραγωγής υλικών στο διάστημα οφείλεται στην επιθυμία χρήσης σε τεχνολογικές διεργασίες ασυνήθιστες συνθήκες που δημιουργούνται κατά την κίνηση του διαστημόπλοιου σε τροχιές κοντά στη Γη: πρώτα απ 'όλα, μια μακρά κατάσταση έλλειψης βαρύτητας, καθώς και το περιβάλλον βαθύ κενό, υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες και κοσμική ακτινοβολία.
Υπό συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, μια σειρά από γνωστές φυσικές διεργασίες προχωρούν διαφορετικά από ό,τι κάτω από τις γνωστές σε εμάς γήινες συνθήκες (υπό την επίδραση της βαρύτητας). Έτσι, στην έλλειψη βαρύτητας δεν υπάρχει δύναμη του Αρχιμήδη, η οποία υπό κανονικές γήινες συνθήκες προκαλεί τη διαστρωμάτωση υγρών ουσιών με διαφορετικές πυκνότητες, εξασθενεί η φυσική μεταφορά, η οποία σε επίγειες συνθήκες οδηγεί σε ανάμειξη στρωμάτων υγρών και αερίων με διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτό ανοίγει θεμελιώδεις δυνατότητες τόσο για τη λήψη ποιοτικά νέων υλικών σε μηδενική βαρύτητα όσο και για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των υπαρχόντων υλικών.
Σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας, είναι δυνατή η διατήρηση υγρού μετάλλου χωρίς δοχείο στο χώρο, λόγω της οποίας είναι δυνατόν να αποφευχθεί η μόλυνση του λόγω της εισόδου ακαθαρσιών από τα τοιχώματα του δοχείου και να ληφθούν ως αποτέλεσμα υπερκαθαρές ουσίες. Στην έλλειψη βαρύτητας, η συμπεριφορά των υγρών καθορίζεται από τις δυνάμεις επιφανειακή τάση, και αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ακόμη και κατά την εκτέλεση μιας τέτοιας ρουτίνας τεχνολογικές διαδικασίεςόπως η συγκόλληση, η συγκόλληση, η τήξη κ.λπ.
Στην ΕΣΣΔ, τα πρώτα τεχνολογικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν το 1969. Στο επανδρωμένο διαστημόπλοιο Soyuz-6 σε συνθήκες παρατεταμένης έλλειψης βαρύτητας, ο πιλότος-κοσμοναύτης της ΕΣΣΔ V.N. Ο E. O. Paton της Ακαδημίας Επιστημών της Ουκρανικής SSR, επεξεργάστηκε διάφορες μεθόδους συγκόλλησης μετάλλων. Επιβεβαιώθηκε η πρακτική δυνατότητα πραγματοποίησης διαφόρων εργασιών συγκόλλησης σε συνθήκες χώρου. Τεχνολογικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν το 1975 κατά τη διάρκεια της πτήσης του τροχιακού σταθμού Salyut-4, καθώς και κατά τη διάρκεια της κοινής πτήσης των διαστημοπλοίων Soyuz και Apollo. Μερικά τεχνολογικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε κάθετα εκτοξευόμενους πυραύλους μεγάλου ύψους κατά τη διάρκεια της παθητικής (με κινητήρες με αναπηρία) πτήσης στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας (σε αυτή την περίπτωση, η κατάσταση έλλειψης βαρύτητας εξασφαλίζεται για μικρό χρονικό διάστημα - περίπου δέκα λεπτά).
Ένα νέο βήμα προς τη δημιουργία των επιστημονικών θεμελίων της διαστημικής παραγωγής έγινε κατά τη διάρκεια της πτήσης του τροχιακού επιστημονικού σταθμού Salyut-5, όταν οι πιλότοι-κοσμοναύτες της ΕΣΣΔ B.V. Voltov, V.M. Zholobov, V.V. Gorbato και Yu.N. Glazkov πραγματοποίησαν μια κύκλος τεχνολογικών πειραμάτων χρησιμοποιώντας ένα σύνολο οργάνων "Crystal", "Flow", "Sphere", "Diffusion" και "Reaction".
Έρευνα διαστημικής τεχνολογίας διεξάγεται επίσης στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε άλλες χώρες. Διάφορα τεχνολογικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο διαστημόπλοιο Apollo 14, -16, -17, στον τροχιακό σταθμό Skylab, κατά την εκτόξευση των πυραύλων μεγάλου ύψους Black Brant.
Αυτό το φυλλάδιο παρέχει γενικά χαρακτηριστικάη τρέχουσα κατάσταση της έρευνας στον τομέα της διαστημικής τεχνολογίας και της διαστημικής παραγωγής. Μιλάει για πολλά υποσχόμενους τομείς παραγωγής διαστήματος, όπως η απόκτηση μετάλλων, υλικών ημιαγωγών, οπτικού γυαλιού, κεραμικών, βιοϊατρικών παρασκευασμάτων κ.λπ.
Φυσικές συνθήκες στο διαστημόπλοιο
Κατά τη διάρκεια της πτήσης ενός διαστημικού σκάφους σε τροχιές κοντά στη Γη, δημιουργούνται συνθήκες στο πλοίο που συνήθως δεν συναντά ένα άτομο στη Γη. Το πρώτο από αυτά είναι η παρατεταμένη έλλειψη βαρύτητας.
Όπως γνωρίζετε, το βάρος ενός σώματος είναι η δύναμη με την οποία δρα σε ένα στήριγμα. Εάν τόσο το σώμα όσο και το στήριγμα κινούνται ελεύθερα υπό τη δράση της βαρύτητας με την ίδια επιτάχυνση, δηλαδή πέσουν ελεύθερα, τότε το βάρος του σώματος εξαφανίζεται. Αυτή η ιδιότητα των σωμάτων που πέφτουν ελεύθερα καθιερώθηκε από τον Galileo. Έγραψε: «Αισθανόμαστε ένα φορτίο στους ώμους μας όταν προσπαθούμε να αποτρέψουμε την ελεύθερη πτώση του. Αν όμως αρχίσουμε να κατεβαίνουμε με την ίδια ταχύτητα με το φορτίο που βρίσκεται στην πλάτη μας, τότε πώς μπορεί να μας πιέσει και να μας επιβαρύνει; Είναι σαν να θέλαμε να χτυπήσουμε με δόρυ κάποιον που τρέχει μπροστά μας με την ίδια ταχύτητα που κινείται το δόρυ.
Όταν ένα διαστημόπλοιο κινείται σε τροχιά της Γης, είναι σε κατάσταση ελεύθερη πτώση. Η συσκευή πέφτει συνεχώς, αλλά δεν μπορεί να φτάσει στην επιφάνεια της Γης, γιατί της δίνεται μια τέτοια ταχύτητα, που την κάνει να περιστρέφεται ατελείωτα γύρω της (Εικ. 1). Αυτή είναι η λεγόμενη πρώτη κοσμική ταχύτητα (7,8 km/s). Φυσικά, όλα τα αντικείμενα στη συσκευή χάνουν το βάρος τους, με άλλα λόγια, εμφανίζεται μια κατάσταση έλλειψης βαρύτητας.
Ρύζι. 1. Η εμφάνιση της έλλειψης βαρύτητας στις διαστημόπλοιο
Η κατάσταση της έλλειψης βαρύτητας μπορεί επίσης να αναπαραχθεί στη Γη, αλλά μόνο για μικρά χρονικά διαστήματα. Για να γίνει αυτό, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται πύργοι έλλειψης βαρύτητας - ψηλές κατασκευές, μέσα στις οποίες ένα ερευνητικό δοχείο πέφτει ελεύθερα. Η ίδια κατάσταση εμφανίζεται επίσης σε αεροσκάφη που πετούν με σβηστούς κινητήρες κατά μήκος ειδικών ελλειπτικών τροχιών. Στους πύργους, η κατάσταση έλλειψης βαρύτητας διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα, στα αεροπλάνα - δεκάδες δευτερόλεπτα. Στο διαστημόπλοιο, αυτή η κατάσταση μπορεί να συνεχιστεί για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα.
Αυτή η κατάσταση πλήρους έλλειψης βαρύτητας είναι μια εξιδανίκευση των συνθηκών που υπάρχουν στην πραγματικότητα κατά τη διάρκεια της διαστημικής πτήσης. Στην πραγματικότητα, αυτή η κατάσταση παραβιάζεται λόγω διαφόρων μικρών επιταχύνσεων που επιδρούν στο διαστημόπλοιο κατά τη διάρκεια της τροχιακής πτήσης. Σύμφωνα με τον 2ο νόμο του Νεύτωνα, η εμφάνιση τέτοιων επιταχύνσεων σημαίνει ότι δυνάμεις μικρών σωμάτων αρχίζουν να ενεργούν σε όλα τα αντικείμενα στο διαστημόπλοιο και, κατά συνέπεια, παραβιάζεται η κατάσταση της έλλειψης βαρύτητας.
Οι μικρές επιταχύνσεις που δρουν στο διαστημόπλοιο μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει επιταχύνσεις που σχετίζονται με μια αλλαγή στην ταχύτητα της ίδιας της συσκευής. Για παράδειγμα, λόγω της αντίστασης των ανώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας, όταν η συσκευή κινείται σε υψόμετρο περίπου 200 km, παρουσιάζει επιτάχυνση της τάξης των 10 -5 g 0 (g 0 είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας κοντά στο επιφάνεια της γης, ίση με 981 cm / s 2). Όταν οι κινητήρες είναι ενεργοποιημένοι στο διαστημόπλοιο για να το μεταφέρουν σε μια νέα τροχιά, βιώνει επίσης την επίδραση των επιταχύνσεων.
Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει επιταχύνσεις που σχετίζονται με αλλαγή στον προσανατολισμό του διαστημικού σκάφους στο διάστημα ή με μετατοπίσεις μάζας επί του σκάφους. Αυτές οι επιταχύνσεις συμβαίνουν κατά τη λειτουργία των κινητήρων του συστήματος ελέγχου στάσης, κατά τις κινήσεις των αστροναυτών κ.λπ. Συνήθως, το μέγεθος των επιταχύνσεων που δημιουργούνται από τους κινητήρες στάσης είναι 10–6 - 10–4 g 0 . Οι επιταχύνσεις που προκύπτουν λόγω διαφορετικών δραστηριοτήτων των αστροναυτών βρίσκονται στην περιοχή 10 -5 - 10 -3 g 0 .
Όταν μιλούν για έλλειψη βαρύτητας, οι συγγραφείς ορισμένων δημοφιλών άρθρων για τη διαστημική τεχνολογία χρησιμοποιούν τους όρους «μικροβαρύτητα», «κόσμος χωρίς βαρύτητα» και ακόμη και «βαρυτική σιωπή». Δεδομένου ότι στην κατάσταση της έλλειψης βαρύτητας δεν υπάρχει βάρος, αλλά υπάρχουν βαρυτικές δυνάμεις, αυτοί οι όροι θα πρέπει να αναγνωριστούν ως εσφαλμένοι.
Ας εξετάσουμε τώρα άλλες συνθήκες που υπάρχουν στα διαστημόπλοια κατά τη διάρκεια της πτήσης τους γύρω από τη Γη. Πρώτα απ 'όλα, είναι ένα βαθύ κενό. Η πίεση της ανώτερης ατμόσφαιρας σε υψόμετρο 200 km είναι περίπου 10–6 mm Hg. Art., και σε υψόμετρο 300 km - περίπου 10 -8 mm Hg. Τέχνη. Ένα τέτοιο κενό μπορεί να επιτευχθεί και στη Γη. Ωστόσο, ο ανοιχτός χώρος μπορεί να παρομοιαστεί με μια αντλία κενού τεράστιας χωρητικότητας, ικανή να αντλεί πολύ γρήγορα αέριο από οποιοδήποτε δοχείο ενός διαστημικού σκάφους (για αυτό, αρκεί να το αποσυμπιέσουμε). Σε αυτή την περίπτωση, ωστόσο, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η δράση ορισμένων παραγόντων που οδηγούν σε επιδείνωση του κενού κοντά στο διαστημόπλοιο: διαρροή αερίου από τα εσωτερικά του μέρη, καταστροφή των κελυφών του υπό την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, ρύπανση τον περιβάλλοντα χώρο λόγω της λειτουργίας κινητήρων συστημάτων προσανατολισμού και διόρθωσης.
Ένα τυπικό σχήμα της τεχνολογικής διαδικασίας για την παραγωγή οποιουδήποτε υλικού είναι ότι παρέχεται ενέργεια στην αρχική πρώτη ύλη, η οποία εξασφαλίζει τη διέλευση ορισμένων μετασχηματισμών φάσης ή χημικές αντιδράσειςπου οδηγούν στο επιθυμητό προϊόν. Η πιο φυσική πηγή ενέργειας για την επεξεργασία υλικών στο διάστημα είναι ο Ήλιος. Σε τροχιά κοντά στη Γη, η ενεργειακή πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας είναι περίπου 1,4 kW/m 2 και το 97% αυτής της τιμής βρίσκεται στην περιοχή μήκους κύματος από 3 × 10 3 έως 2 × 10 4 ?. Ωστόσο, η άμεση χρήση της ηλιακής ενέργειας για τη θέρμανση των υλικών συνδέεται με μια σειρά από δυσκολίες. Πρώτον, η ηλιακή ενέργεια δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο σκοτεινό τμήμα της τροχιάς του διαστημικού σκάφους. Δεύτερον, απαιτείται η παροχή σταθερού προσανατολισμού των δεκτών ακτινοβολίας προς τον Ήλιο. Και αυτό, με τη σειρά του, περιπλέκει τη λειτουργία του συστήματος ελέγχου στάσης του διαστημικού σκάφους και μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη αύξηση των επιταχύνσεων που παραβιάζουν την κατάσταση της έλλειψης βαρύτητας.
Όσον αφορά άλλες συνθήκες που μπορούν να εφαρμοστούν στο διαστημόπλοιο (χαμηλές θερμοκρασίες, χρήση σκληρού συστατικού της ηλιακής ακτινοβολίας κ.λπ.), η χρήση τους προς το συμφέρον της διαστημικής παραγωγής δεν προβλέπεται επί του παρόντος.
Η συμπεριφορά της ύλης στην έλλειψη βαρύτητας
Αθροιστικές και φασικές καταστάσεις της ύλης.Κατά την εξέταση των χαρακτηριστικών της συμπεριφοράς της ύλης σε διαστημικές συνθήκες, χρησιμοποιούνται συχνά έννοιες όπως συναθροίσεις και καταστάσεις φάσης, φάση και συστατικά. Ας ορίσουμε αυτές τις έννοιες.
Οι αθροιστικές καταστάσεις της ύλης διαφέρουν ως προς τη φύση της θερμικής κίνησης των μορίων ή των ατόμων. Συνήθως μιλούν για τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης - αέρια, στερεά και υγρά. Στα αέρια, τα μόρια σχεδόν δεν δεσμεύονται από ελκτικές δυνάμεις και κινούνται ελεύθερα, γεμίζοντας ολόκληρο το δοχείο. Η δομή των κρυσταλλικών στερεών χαρακτηρίζεται από υψηλή τάξη - τα άτομα βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος, κοντά στους οποίους εκτελούν μόνο θερμικές δονήσεις. Ως αποτέλεσμα, τα κρυσταλλικά σώματα έχουν αυστηρά περιορισμένο σχήμα και όταν προσπαθείς να το αλλάξεις με κάποιο τρόπο, προκύπτουν σημαντικές ελαστικές δυνάμεις που εξουδετερώνουν μια τέτοια αλλαγή.
Μαζί με τους κρυστάλλους, είναι επίσης γνωστό ένα άλλο είδος στερεών - τα άμορφα σώματα. Το κύριο χαρακτηριστικό της εσωτερικής δομής των άμορφων στερεών είναι η έλλειψη πλήρους τάξης: μόνο στη διάταξη των γειτονικών ατόμων παρατηρείται τάξη, η οποία αντικαθίσταται από μια χαοτική διάταξη μεταξύ τους σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Το πιο σημαντικό παράδειγμα άμορφης κατάστασης είναι το γυαλί.
Την ίδια ιδιότητα - τάξη μικρής εμβέλειας στη διάταξη των γειτονικών ατόμων - κατέχει μια ουσία σε υγρή κατάσταση συσσωμάτωσης. Για το λόγο αυτό, μια αλλαγή στον όγκο ενός υγρού δεν προκαλεί την εμφάνιση σημαντικών ελαστικών δυνάμεων σε αυτό και υπό κανονικές συνθήκες, το υγρό παίρνει το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκεται.
Εάν η ουσία αποτελείται από πολλά συστατικά ( χημικά στοιχείαή ενώσεις), τότε οι ιδιότητές του εξαρτώνται από τη σχετική συγκέντρωση αυτών των συστατικών, καθώς και από τη θερμοκρασία, την πίεση και άλλες παραμέτρους. Για τον χαρακτηρισμό του τελικού προϊόντος που προκύπτει από έναν τέτοιο συνδυασμό συστατικών, χρησιμοποιείται η έννοια της φάσης. Εάν η υπό εξέταση ουσία αποτελείται από ομοιογενή μέρη που εφάπτονται μεταξύ τους, φυσικά ή Χημικές ιδιότητεςπου είναι διαφορετικά, τότε τέτοια μέρη ονομάζονται φάσεις. Για παράδειγμα, ένα μείγμα πάγου και νερού είναι ένα σύστημα δύο φάσεων και το νερό στο οποίο διαλύεται ο αέρας είναι ένα μονοφασικό σύστημα, επειδή σε αυτή την περίπτωση δεν υπάρχει διεπαφή μεταξύ των εξαρτημάτων.
Κατάσταση φάσης - μια έννοια που βασίζεται στη δομική αναπαράσταση του όρου "φάση". Η κατάσταση φάσης της ύλης καθορίζεται μόνο από τη φύση σχετική θέσηάτομα ή μόρια, όχι δικά τους σχετική κίνηση. Η παρουσία τάξης μεγάλης εμβέλειας (πλήρης τάξη) αντιστοιχεί στην κατάσταση κρυσταλλικής φάσης, τάξη μικρής εμβέλειας - στην κατάσταση άμορφης φάσης, στην πλήρη απουσία τάξης - στην κατάσταση της αέριας φάσης.
Η κατάσταση φάσης δεν συμπίπτει απαραίτητα με την κατάσταση συσσωμάτωσης. Για παράδειγμα, μια κατάσταση άμορφης φάσης αντιστοιχεί σε μια συνηθισμένη υγρή κατάσταση συσσωμάτωσης και μια στερεή υαλώδη κατάσταση. Η στερεά κατάσταση συσσωμάτωσης αντιστοιχεί σε δύο φάσεις - κρυσταλλική και άμορφη (υαλώδης).
Ρύζι. 2. Διάγραμμαp-t ισορροπία ενός συστήματος ενός συστατικού
Η μετάβαση μιας ουσίας από μια κατάσταση φάσης σε μια άλλη ονομάζεται μετάβαση φάσης ή μετασχηματισμός. Εάν δύο ή περισσότερες διαφορετικές φάσεις μιας ουσίας σε μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση υπάρχουν ταυτόχρονα, σε επαφή μεταξύ τους, τότε μιλάμε για ισορροπία φάσης. Στο σχ. Για παράδειγμα, το σχήμα 2 δείχνει το διάγραμμα ισορροπίας φάσης ενός συστήματος ενός συστατικού που απεικονίζεται στις συντεταγμένες πίεση ( R) - θερμοκρασία ( Τ). Εδώ είναι το ισόβαρο (δηλαδή, μια ευθεία γραμμή σταθερής πίεσης) αχαντιστοιχεί σε άμεσες μεταβάσεις στερεό - υγρό (τήξη και στερεοποίηση) και υγρό - αέριο (εξάτμιση και συμπύκνωση), ισοβαρή s-s- μεταβατικό στερεό - αέριο (εξάχνωση), και η ισοβαρή in-in- η συνύπαρξη και των τριών φάσεων στο λεγόμενο τριπλό σημείο, σε ορισμένες τιμές Rκαι Τ.
Επίδραση της έλλειψης βαρύτητας στο υγρό.Πώς επηρεάζει η βαρύτητα τη συμπεριφορά της ύλης σε διάφορες καταστάσεις συσσωμάτωσης; Στα στερεά, τα άτομα και τα μόρια είναι διατεταγμένα σε μια αυστηρά καθορισμένη σειρά και η δύναμη της βαρύτητας δεν μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στις διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτή την κατάσταση.
Αυτή η δύναμη μπορεί να επηρεάσει τις διεργασίες στα αέρια πιο σημαντικά. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι υπό συνθήκες ανομοιόμορφης θέρμανσης διαφόρων στρωμάτων αερίου στην ατμόσφαιρα, προκύπτει ελεύθερη συναγωγή υπό τη δράση της βαρύτητας, δηλ. μια διατεταγμένη ανταλλαγή αερίου μεταξύ αυτών των στρωμάτων. Υπό συνθήκες χωρίς βάρος, αυτό το φαινόμενο μπορεί να μην συμβεί.
Αλλά η βαρυτική δύναμη έχει μια ιδιαίτερα ισχυρή επίδραση στο υγρό. Κατά τη μετάβαση στην έλλειψη βαρύτητας στο υγρό, η δύναμη του Αρχιμήδη εξαφανίζεται, ενεργώντας σε συστατικά διαφορετικών πυκνοτήτων και οδηγεί στον διαχωρισμό τους, αλλάζει η φύση των ροών μεταφοράς, ο σχετικός ρόλος των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων στο υγρό αυξάνεται και καθίσταται δυνατό να το διατηρούν εκτός του αγγείου (φαινόμενο αιώρησης). Για αυτούς τους λόγους, ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τις διεργασίες που συμβαίνουν σε ένα υγρό.
Όπως σε ένα αέριο, τα μόρια σε ένα υγρό δεν διατηρούν σταθερή θέση, αλλά μετακινούνται από μέρος σε μέρος λόγω θερμικής ενέργειας. Αν σε οποιοδήποτε σημείο του υγρού σωματίδια του ίδιου τύπου κυριαρχούν, τότε λόγω συχνότερων συγκρούσεων μεταξύ τους, σταδιακά μετακινούνται σε μια ζώνη όπου η συγκέντρωσή τους είναι μικρότερη. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διάχυση. Λόγω διάχυσης με την πάροδο του χρόνου tτα σωματίδια μετατοπίζονται κατά μια απόσταση Χ = (2Dt) 1/2 , όπου ρε- συντελεστής διάχυσης. Αν θεωρήσουμε τα σωματίδια ως σφαίρες με ακτίνα r, έπειτα ρε = W · (?? r) -ένας . Εδώ W- θερμική ενέργεια σωματιδίων, ? είναι το ιξώδες ενός υγρού, το οποίο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία του. Όταν το υγρό ψύχεται, το ιξώδες αυξάνεται και, κατά συνέπεια, οι διαδικασίες διάχυσης επιβραδύνονται.
Αν η μεταβολή της συγκέντρωσης σωματιδίων ίδιου τύπου σε απόσταση ? Χμέσα στο υγρό είναι ? Με, τότε ο αριθμός των σωματιδίων πρέπει να περάσει από μια μονάδα επιφάνειας σε 1 s Εγώ = - ρε? ντο/? Χ.
Ένα υγρό μπορεί να περιέχει πολλά συστατικά ταυτόχρονα. Εάν η περιεκτικότητα σε ένα από τα συστατικά είναι χαμηλή, τότε αυτό το συστατικό θεωρείται ως πρόσμειξη. Εάν την αρχική στιγμή η ακαθαρσία κατανέμεται άνισα στο υγρό, τότε οι διαδικασίες διάχυσης στο υγρό οδηγούν στην καθιέρωση ομοιόμορφης κατανομής (ομογενοποίηση).
Σε ορισμένες περιπτώσεις, το υγρό μπορεί να περιέχει συστατικά διαφορετικής πυκνότητας. Στη Γη, υπό τη δράση της δύναμης του Αρχιμήδη, αυτά τα συστατικά διαχωρίζονται σταδιακά (για παράδειγμα, η κρέμα γάλακτος και το αποβουτυρωμένο γάλα σχηματίζονται από το γάλα). Στην έλλειψη βαρύτητας, αυτός ο διαχωρισμός δεν υπάρχει και μετά τη στερεοποίηση τέτοιων υγρών, μπορούν να ληφθούν ουσίες με μοναδικές ιδιότητες. Το υγρό μπορεί επίσης να περιέχει φάσεις που δεν αναμειγνύονται μεταξύ τους, όπως κηροζίνη και νερό. Στη Γη σχηματίζονται σαφή όρια μεταξύ τους. Στην έλλειψη βαρύτητας, με την ανάμειξη, μπορεί κανείς να αποκτήσει ένα σταθερό μείγμα που αποτελείται από μικρές σταγόνες της μιας ή της άλλης φάσης. Μετά τη σκλήρυνση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν παρόμοια μείγματα διαφορετικών φάσεων για να ληφθεί ομοιογενές σύνθετα υλικά, αφρώδες μέταλλα κ.λπ.
Η εμφάνιση διεπαφών μεταξύ διαφορετικών φάσεων σε ένα υγρό σχετίζεται με την παρουσία μιας δύναμης επιφανειακής τάσης ή τριχοειδούς δύναμης, η οποία προκύπτει λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων του υγρού. Η επιφανειακή τάση μπορεί να παρομοιαστεί με τη δύναμη που επαναφέρει μια χορδή στην αρχική της κατάσταση όταν ο παίκτης προσπαθεί να την τραβήξει στην άκρη. Είναι η δύναμη της επιφανειακής τάσης που προκαλεί την πτώση σταγόνων από μια κακώς κλειστή βρύση και όχι μια λεπτή σταγόνα νερού. Αλλά στη Γη, αυτές οι σταγόνες είναι μικρές: η δύναμη της βαρύτητας είναι πολύ μεγαλύτερη από τις δυνάμεις της επιφανειακής τάσης και σπάει πολύ μεγάλες από αυτές σε κομμάτια. Στην έλλειψη βαρύτητας, τίποτα δεν μπορεί να εμποδίσει το σχηματισμό πολύ μεγάλων σταγόνων και ένα υγρό σώμα, αφημένο μόνο του, θα πάρει σφαιρικό σχήμα.
Μάλιστα, στο διαστημόπλοιο, λόγω διαφόρων ειδών μικρών επιταχύνσεων, παραβιάζεται η κατάσταση της έλλειψης βαρύτητας. Αν ένα r- η ακτίνα της σφαίρας, το σχήμα της οποίας παίρνει το υγρό, τότε η τριχοειδική δύναμη που ασκεί πάνω της είναι περίπου ίση με; r, όπου? - συντελεστής επιφανειακής τάσης. Το μέγεθος των αδρανειακών δυνάμεων του σώματος που δρουν στο υγρό είναι ίσο με; γρ 3 που; είναι η πυκνότητα του υγρού, σολ- μικρή επιτάχυνση. Προφανώς τα φαινόμενα επιφανειακής τάσης θα παίξουν σημαντικό ρόλο πότε; (? γρ 2) –1 > 1. Αυτή η συνθήκη καθορίζει τη δυνατότητα λήψης, σε κατάσταση κοντά στην έλλειψη βαρύτητας, υγρών σφαιρών με ακτίνα r. Τέτοιες σφαίρες υγρών στο διαστημόπλοιο μπορεί να είναι σε κατάσταση ελεύθερης επιπλέουσας, όταν δεν χρειάζονται σκάφη για να τις συγκρατήσουν. Αν πρόκειται για υγρό τήγμα, τότε όταν στερεοποιείται στη Γη, προέρχονται επιβλαβείς ακαθαρσίες από τα τοιχώματα του δοχείου. Στο διάστημα, μπορείτε να κάνετε χωρίς ένα δοχείο και, ως εκ τούτου, να πάρετε περισσότερες καθαρές ουσίες.
Μεταφορά θερμότητας και μάζας στην έλλειψη βαρύτητας.Η μετάβαση στην έλλειψη βαρύτητας έχει επίσης σημαντική επίδραση στις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και μάζας σε υγρά και αέρια. Η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί με αγωγιμότητα, μεταφορά ή ακτινοβολία ή οποιονδήποτε συνδυασμό αυτών των μηχανισμών. Θερμική αγωγιμότητα είναι η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας από μια ζώνη με υψηλότερη θερμοκρασία σε μια ζώνη όπου η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη, με διάχυση μορίων μέσου μεταξύ αυτών των ζωνών. Για το λόγο αυτό, ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας είναι ανάλογος με τον συντελεστή διάχυσης.
Η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία είναι τυπική κυρίως για στερεά και υγρά σώματα και συμβαίνει σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Οι διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας ακτινοβολίας και θερμικής αγωγιμότητας δεν εξαρτώνται από τη βαρύτητα ή από τις δυνάμεις μικρών σωμάτων που δρουν στο διαστημόπλοιο.
Ένα άλλο πράγμα είναι η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή. Συναγωγή είναι η μεταφορά θερμότητας σε υγρό ή αέριο μέσο με μακροσκοπική κίνηση της ουσίας αυτού του μέσου. Το απλούστερο παράδειγμα μεταφοράς έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω - ελεύθερη (ή φυσική) μεταφορά που προκύπτει από άνιση κατανομή θερμοκρασίας σε ένα μέσο που υπόκειται στη δράση δυνάμεων μάζας (για παράδειγμα, δυνάμεις βαρύτητας ή αδράνειας που προκαλούνται από μικρές επιταχύνσεις στο διαστημόπλοιο). Ο καθένας μπορεί εύκολα να παρατηρήσει αυτό το φαινόμενο στο σπίτι σε οποιονδήποτε λέβητα, όταν στρώματα υγρού, με υψηλότερη θερμοκρασία και, ως αποτέλεσμα, χαμηλότερη πυκνότητα, θα επιπλέουν και θα μεταφέρουν θερμότητα μαζί τους, και στη θέση τους, στον καυτό πάτο του ο λέβητας, πιο κρύα και πυκνά στρώματα.
Ο σχετικός ρόλος της μεταφοράς θερμότητας λόγω της ελεύθερης μεταφοράς και της θερμικής αγωγιμότητας καθορίζεται από τον αριθμό Rayleigh:
Εδώ σολείναι η επιτάχυνση που επενεργεί στο σύστημα, μεγάλοείναι το χαρακτηριστικό μέγεθος του συστήματος, ; - συντελεστής ογκομετρικής διαστολής, ? Τ- διαφορά θερμοκρασίας στο περιβάλλον, ? - συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, ? - ιξώδες του μέσου. Ως εκ τούτου προκύπτει ότι υπό συνθήκες που πλησιάζουν την έλλειψη βαρύτητας ( σολ -> 0), Ra-> 0, και, κατά συνέπεια, ο ρόλος της μεταφοράς που οδηγεί σε αποτελεσματική ανάμειξη του μέσου μπορεί να παραμεληθεί.
Αυτό το συμπέρασμα έχει διπλή σημασία. Πρώτον, η συμβολή της συναγωγής στις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας μειώνεται και η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται με μια πιο αργή διαδικασία αγωγής θερμότητας. Δεύτερον, ο αποκλεισμός των ρευμάτων μεταφοράς στο μέσο οδηγεί στο γεγονός ότι ο κύριος ρόλος στη μεταφορά μάζας δεν θα διαδραματιστεί από μακροσκοπικές μετατοπίσεις της ύλης, αλλά από διαδικασίες διάχυσης. Και αυτό, με τη σειρά του, ανοίγει τη δυνατότητα λήψης ουσιών στις οποίες η κατανομή των ακαθαρσιών θα είναι πολύ πιο ομοιόμορφη από ό,τι στη Γη.
Εκτός από την ελεύθερη μεταφορά, υπάρχει ολόκληρη γραμμήΆλλα φαινόμενα μεταφοράς, το ένα μέρος των οποίων εξαρτάται από τις δυνάμεις του σώματος, ενώ το άλλο όχι. Είναι επίσης γνωστή η εξαναγκασμένη μεταφορά, η οποία συμβαίνει υπό την επίδραση κάποιου εξωτερικού παράγοντα (για παράδειγμα, αναδευτήρα, αντλία κ.λπ.). Σε συνθήκες χώρου, αυτός ο τύπος μεταφοράς χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει τον απαιτούμενο ρυθμό απομάκρυνσης θερμότητας από τις μονάδες λειτουργίας.
Ως παράδειγμα μεταφοράς που δεν εξαρτάται από τις δυνάμεις του σώματος, ας υποδείξουμε τη θερμοτριχοειδή μεταφορά, η οποία εκφράζεται στο γεγονός ότι τα κύματα μπορούν να προκύψουν και να διαδοθούν στο όριο της υγρής φάσης. Τα τριχοειδή κύματα προκαλούνται από πτώσεις θερμοκρασίας, λόγω της παρουσίας των οποίων η τιμή του συντελεστή επιφανειακής τάσης δεν είναι σταθερή κατά μήκος της επιφάνειας. Αυτός ο τύπος ροής μεταφοράς προφανώς δεν εξαρτάται από την τιμή του g και μπορεί να οδηγήσει σε επιδείνωση της ομοιογένειας των υλικών που λαμβάνονται σε συνθήκες χώρου. Ένας τρόπος για την αντιστάθμιση των επιζήμιων επιπτώσεων αυτής της επίδρασης είναι να μειωθούν οι πραγματικές διαφορές θερμοκρασίας κατά μήκος της διεπαφής.
Διαστημικό σκάφος και ειδικός εξοπλισμός για διαστημική παραγωγή
Εξοπλισμός για διαστημικά πειράματα.Μιλώντας για το πρόβλημα της παραγωγής νέων υλικών στο διάστημα, συνήθως εννοούν πέντε τομείς έρευνας και ανάπτυξης:
1. Διαστημική μεταλλουργία.
2. Υλικά ημιαγωγών.
3. Γυαλί και κεραμικά.
4. Ιατροβιολογικά σκευάσματα.
5. Μελέτη σωματικών επιπτώσεων στην έλλειψη βαρύτητας.
Οι τέσσερις πρώτες κατευθύνσεις στοχεύουν άμεσα στην απόκτηση νέων ή βελτιωμένων υλικών και προϊόντων στο διαστημόπλοιο (SC). Το καθήκον της πέμπτης κατεύθυνσης είναι να αναπτύξει την επιστήμη της συμπεριφοράς της ύλης στο χώρο με σκοπό τη δημιουργία θεωρητικές βάσειςδιαστημική παραγωγή.
Η διεξαγωγή έρευνας σε όλους αυτούς τους τομείς απαιτεί την ανάπτυξη ειδικών εγκαταστάσεων επί του οχήματος. Επομένως, πριν προχωρήσετε στην ανάλυση συγκεκριμένων περιοχών, καλό είναι να εξετάσετε πώς έχουν τα πράγματα με τη δημιουργία ειδικού εξοπλισμού για διαστημικά πειράματα. Ταυτόχρονα, σε αυτήν την ενότητα, περιοριζόμαστε στην εξέταση των πιο καθολικών τύπων εγκαταστάσεων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση πολλών διαφορετικών προβλημάτων. Είναι πιο βολικό να μιλήσουμε για εκείνες τις πειραματικές εγκαταστάσεις που έχουν πιο στενό σκοπό ή έχουν σχεδιαστεί για τη διεξαγωγή συγκεκριμένων μελετών συζητώντας αυτές τις μελέτες οι ίδιες.
Για όλες τις πρακτικές κατευθύνσεις, με εξαίρεση την απόκτηση βιολογικών παρασκευασμάτων, το βασικό σχήμα της παραγωγικής διαδικασίας έχει ως εξής. Το αρχικό υλικό (πρώτη ύλη) υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία στο διαστημόπλοιο, λιώνει ή εξατμίζεται. Μετά σκληραίνει. Δεδομένου ότι αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα υπό συνθήκες χωρίς βάρος, μπορεί να αναμένεται βελτίωση των χαρακτηριστικών του τελικού προϊόντος, σύμφωνα με την ανάλυση που έγινε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Για τους λόγους αυτούς, η κύρια επιλογή για εξοπλισμό επεξεργασίας για την επεξεργασία ανόργανων υλικών είναι οι εγκαταστάσεις θέρμανσης διαφόρων τύπων.
Η θερμότητα των εξώθερμων αντιδράσεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση του υλικού έναρξης. Ένας τυπικός θερμαντήρας αυτού του τύπου αποτελείται από ένα κυλινδρικό φυσίγγιο γεμάτο με ένα μείγμα χημικών ουσιών και μια αμπούλα με το υλικό δοκιμής, η οποία τοποθετείται κατά μήκος του άξονα του φυσιγγίου. Ένας ηλεκτρικός παλμός χαμηλής ισχύος χρησιμοποιείται συνήθως για την έναρξη μιας χημικής αντίδρασης. Το πλεονέκτημα τέτοιων εγκαταστάσεων είναι ότι σε αυτές μπορούν να επιτευχθούν σχετικά υψηλές θερμοκρασίες σε σχετικά σύντομους χρόνους (δευτερόλεπτα ή δεκάδες δευτερόλεπτα). Επομένως, τέτοιες εγκαταστάσεις θέρμανσης χρησιμοποιούνται κυρίως σε περιπτώσεις όπου η διάρκεια της κατάστασης έλλειψης βαρύτητας είναι περιορισμένη.
Ένα άλλο είδος συσκευών θέρμανσης για την επεξεργασία υλικών είναι οι ηλεκτρικοί φούρνοι θέρμανσης. Είναι γνωστές πολλές δομικά διαφορετικές παραλλαγές τέτοιων κλιβάνων. Η θερμοκρασία 1200–2400 °C διατηρείται στη ζώνη εργασίας του ισοθερμικού κλιβάνου. Για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, αυτή η περιοχή περιβάλλεται από μόνωση πολλαπλών φύλλων κατασκευασμένη από ειδικά υλικά.
Για την ανάπτυξη κρυστάλλων, είναι απαραίτητο ο κλίβανος να έχει μια ζώνη με διαφορά θερμοκρασίας. Στο σχ. Το 3 δείχνει ένα από τα πιθανά σχήματα εγκαταστάσεων αυτού του τύπου. Μια αμπούλα που περιέχει τη δοκιμαστική ουσία τραβιέται μέσα από τη ζώνη με διαφορά θερμοκρασίας. Στο σημείο που επιτυγχάνεται το σημείο τήξης, η πρώτη ύλη λιώνει και όταν το λιωμένο υλικό εισέλθει στην περιοχή των χαμηλότερων θερμοκρασιών, αρχίζει να κρυσταλλώνεται. Οι υπάρχουσες εγκαταστάσεις αυτού του τύπου παρέχουν θερμοκρασία 1050–1150 °C, στις σχεδιασμένες εγκαταστάσεις υποτίθεται ότι την ανεβάζουν στους 2000 °C.
Ρύζι. Εικ. 3. Σχέδιο ανάπτυξης μονοκρυστάλλων από τήγμα (1 - τήγμα, 2 - κρύσταλλο σπόρων, 3 - μηχανισμοί έλξης και περιστροφής, 4 - ράβδος, 5 - χωνευτήριο, 6 - επαγωγέας για τη θέρμανση του τήγματος)
Το μειονέκτημα εγκαταστάσεων όπως αυτή που φαίνεται στο Σχ. 3 είναι ότι από τα τοιχώματα της αμπούλας (χωνευτήριο) μπορούν να εισέλθουν ακαθαρσίες στο τήγμα, μολύνοντας το προκύπτον υλικό και υποβαθμίζοντας την ποιότητά του. Στο σχ. Το σχήμα 4 δείχνει ένα διάγραμμα ενός ηλεκτρικού κλιβάνου στον οποίο χρησιμοποιείται η μέθοδος τήξης ζώνης, η οποία καθιστά δυνατή τη μερική εξάλειψη αυτού του μειονεκτήματος. Σε αυτή την εγκατάσταση, η ουσία υπόκειται επίσης σε επανατήξη στη ζώνη με διαφορά θερμοκρασίας, αλλά ταυτόχρονα δεν έρχεται σε άμεση επαφή με τα τοιχώματα της αμπούλας. Η θέρμανση μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας ρεύματα υψηλής συχνότητας, πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας ή πηγές φωτός τόξου εξοπλισμένες με καθρέφτες εστίασης κ.λπ. Στην τελευταία περίπτωση, η αμπούλα είναι κατασκευασμένη από διαφανές υλικό, όπως χαλαζία. Η μέθοδος τήξης ζώνης καθιστά επίσης δυνατή την επίτευξη υψηλότερων θερμοκρασιών. Η τηγμένη ουσία δεν αγγίζει τα τοιχώματα του χωνευτηρίου και συγκρατείται από δυνάμεις επιφανειακής τάσης. Επομένως, οι μέγιστες διαστάσεις της ζώνης καθορίζονται από την κατάσταση της ισορροπίας των δυνάμεων μάζας που δρουν στο τήγμα και των δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Οι δυνάμεις μάζας στο διαστημόπλοιο, λόγω μικρών επιταχύνσεων, είναι πολύ λιγότερες από τη δύναμη της βαρύτητας. Αυτό σημαίνει ότι οι διαστάσεις της λιωμένης ζώνης υπό διαστημικές συνθήκες και, κατά συνέπεια, οι διαστάσεις των κρυστάλλων που λαμβάνονται σε τέτοιες εγκαταστάσεις μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερες από ό,τι στη Γη.
Ρύζι. 4. Μέθοδος τήξης ζώνης (1 - λιωμένη ζώνη, 2 - επαγωγέας, 3 - τοίχωμα κλιβάνου, 4 - αμπούλα, 5 - ράβδος της ουσίας δοκιμής, 6 - μηχανισμός για το τράβηγμα και την περιστροφή της ράβδου)
Στο σχ. Το σχήμα 5 δείχνει ένα σχήμα για την ανάπτυξη κρυστάλλων από τη φάση ατμού. Η αμπούλα τοποθετείται σε κλίβανο με διαφορά θερμοκρασίας με τέτοιο τρόπο ώστε το υλικό πηγής να βρίσκεται στη θερμή ζώνη. Η μεταφορά μάζας πραγματοποιείται στη φάση ατμού και στο ψυχρό άκρο της αμπούλας, συμπυκνώνεται για να σχηματίσει κρυστάλλους. Οι μέθοδοι ατμοποιητικής φάσης χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, για τη λήψη επιταξιακών μεμβρανών, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική.
Επιταξία είναι η εναπόθεση μονοκρυσταλλικών μεμβρανών σε μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα. Η επιταξιακή μεμβράνη, όπως λέμε, επαναλαμβάνει τη δομή του υποστρώματος και είναι κάτι σαν δισδιάστατος κρύσταλλος. Η τελειότητά του καθορίζεται, ειδικότερα, από τις διαδικασίες μεταφοράς στη φάση ατμού. Η μεταφορά οδηγεί σε ανεξέλεγκτες συνθήκες στην επιφάνεια του αναπτυσσόμενου στρώματος και τελικά σε ελαττώματα του πλέγματος. Στο διάστημα, μπορεί κανείς να υπολογίζει στον περιορισμό του ρόλου της μεταφοράς και, κατά συνέπεια, στη βελτίωση της ποιότητας των υλικών που λαμβάνονται.
Ρύζι. 5. Σχέδιο ανάπτυξης κρυστάλλων από τη φάση ατμού
Νωρίτερα σημειώθηκε ότι η δέσμευση υγρών χωρίς δοχεία είναι δυνατή σε διαστημικές συνθήκες. Οι εγκαταστάσεις στις οποίες πραγματοποιείται αυτή η διαδικασία ονομάζονται ανυψωτές. Δεδομένου ότι επιταχύνσεις της τάξης των 10–5 - 10–4 g 0 επιδρούν στο διαστημόπλοιο, πρέπει να ληφθούν μέτρα σε ανυψωτήρες για να διατηρηθεί το ελεύθερο αιωρούμενο υγρό στο κέντρο του θαλάμου εργασίας. Για το σκοπό αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν πεδία υπερήχων, αεροδυναμικός περιορισμός ή εναλλασσόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Η τελευταία μέθοδος είναι κατάλληλη μόνο για αγώγιμα υλικά και δεν είναι κατάλληλη, για παράδειγμα, για εργασία με γυαλί. Τα υλικά μπορούν να θερμανθούν σε έναν ανυψωτήρα χρησιμοποιώντας οπτικούς θερμαντήρες, ρεύματα υψηλής συχνότητας, δέσμες ηλεκτρονίων κ.λπ. Οι εγκαταστάσεις αυτού του τύπου είναι προφανώς πολύ περίπλοκες, αλλά καθιστούν δυνατή την πρακτική υλοποίηση ενός τόσο σημαντικού πλεονεκτήματος της παραγωγής υλικών στο διάστημα όπως επεξεργασία τους χωρίς δοχεία. Οι αιωρούμενοι διαφόρων τύπων βρίσκονται επί του παρόντος υπό ανάπτυξη.
Πειράματα στον τομέα της διαστημικής τεχνολογίας.Τα πρώτα τεχνολογικά διαστημικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν το 1969 στη Σοβιετική Ένωση. Για το σκοπό αυτό, στο Ινστιτούτο Ηλεκτρικής Συγκόλλησης που φέρει το όνομά του Ο E. O. Paton ανέπτυξε μια ειδική εγκατάσταση "Ηφαίστειο", σχεδιασμένη να μελετά και να βελτιώνει τις μεθόδους συγκόλλησης και κοπής μετάλλων στο διαστημόπλοιο. Η εγκατάσταση Vulkan τοποθετήθηκε στο διαστημόπλοιο Soyuz-6 και στις 16 Οκτωβρίου 1969, το πλήρωμα του πλοίου, οι Σοβιετικοί κοσμοναύτες G.S. Shonin και V.N. Kubasov, το δοκίμασαν με επιτυχία.
Το 1973-1974 μια σειρά τεχνολογικών πειραμάτων πραγματοποιήθηκε στον αμερικανικό διαστημικό σταθμό «Skylab». Για τη διεξαγωγή αυτών των πειραμάτων, αναπτύχθηκε μια ειδική εγκατάσταση επεξεργασίας υλικών στις ΗΠΑ. Αυτή η εγκατάσταση περιελάμβανε έναν θάλαμο κενού, ένα πιστόλι ηλεκτρονίων για την τήξη δειγμάτων, έναν ηλεκτρικό φούρνο θέρμανσης και άλλο εξοπλισμό. Ο φούρνος γενικής χρήσης που αναπτύχθηκε για το σταθμό Skylab παρείχε μέγιστη θερμοκρασία 1050 °C και επέτρεπε τη λειτουργία σε διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας (σταθερή υψηλή θερμοκρασία, πτώση θερμοκρασίας κατά μήκος της αμπούλας, προγραμματισμένη ψύξη). Τα δείγματα που μελετήθηκαν τοποθετήθηκαν σε αμπούλες, οι οποίες τοποθετήθηκαν στον φούρνο από τους κοσμοναύτες.
Το επόμενο βήμα στην ανάπτυξη της εργασίας στον τομέα των τεχνολογικών πειραμάτων στο διάστημα ήταν το κοινό σοβιετικό-αμερικανικό πρόγραμμα "Soyuz" - "Apollo" (ASTP). Κατά τη διάρκεια της πτήσης αυτών των πλοίων τον Ιούλιο του 1975, διεξήχθη ένας αριθμός νέων τεχνολογικών πειραμάτων χρησιμοποιώντας έναν τροποποιημένο ηλεκτρικό φούρνο και εγκαταστάσεις για την έρευνα μεθόδων για την απόκτηση καθαρών βιοϊατρικών παρασκευασμάτων.
Η διεξαγωγή τεχνολογικών πειραμάτων συμπεριλήφθηκε επίσης στο ερευνητικό πρόγραμμα στον σοβιετικό διαστημικό σταθμό Salyut-5. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε ένα ειδικό σύνολο οργάνων - "Crystal", "Diffusion", "Flow", "Sphere", "Reaction" (Εικ. 6), σχεδιασμένο να μελετά ένα ευρύ φάσμα θεμάτων στον τομέα των επιστημών σχετικά με την ύλη στο διάστημα, καθώς και για τη δοκιμή μεθόδων συγκόλλησης σε διαστημικές συνθήκες.
Τα τεχνολογικά πειράματα με αυτές τις συσκευές πραγματοποιήθηκαν με επιτυχία τον Ιούλιο - Αύγουστο 1976 από τους πιλότους-κοσμοναύτες της ΕΣΣΔ B. V. Voltov και V. M. Zholobov και τον Φεβρουάριο του 1977 από τον V. V. Gorbatko Yu. N. Glazkov.
Μαζί με την έρευνα που διεξήχθη σε επανδρωμένους διαστημικούς σταθμούς και πλοία, τόσο στη Σοβιετική Ένωση όσο και στις Ηνωμένες Πολιτείες, πραγματοποιήθηκαν αυτόματα τεχνολογικά πειράματα κατά τη διάρκεια εκτοξεύσεων πυραύλων σε μεγάλο ύψος.
Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των πειραμάτων είναι η σχετικά περιορισμένη διάρκεια της κατάστασης έλλειψης βαρύτητας (5–7 λεπτά στους αμερικανικούς πυραύλους, περίπου 10 λεπτά στους σοβιετικούς). Ως εκ τούτου, για τη διεξαγωγή τέτοιων πειραμάτων στη Σοβιετική Ένωση, έχουν αναπτυχθεί εγκαταστάσεις στις οποίες χρησιμοποιείται η θερμότητα των εξώθερμων αντιδράσεων για την τήξη των δειγμάτων.
Στους αμερικανικούς πυραύλους μεγάλου υψομέτρου, χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρικός κλίβανος αμπούλας, ο οποίος δεν μπορεί να προσφέρει τόσο γρήγορη θέρμανση των τεμαχίων και, επομένως, πρέπει να ενεργοποιηθεί εκ των προτέρων, πριν από την εκτόξευση του πυραύλου.
Η έρευνα σε πυραύλους μεγάλου ύψους επιτρέπει τη διενέργεια διαστημικών πειραμάτων πιο γρήγορα και με απλούστερο εξοπλισμό, και ως εκ τούτου θα πρέπει να θεωρηθούν ως χρήσιμη προσθήκη στην εργασία σε διαστημικούς σταθμούς και πλοία.
Ρύζι. Εικ. 6. Συσκευές για τη διεξαγωγή τεχνολογικών πειραμάτων στο σταθμό Salyut-5 (α - η συσκευή Crystal, β - η συσκευή αντίδρασης)
Διαστημικά οχήματα και τεχνολογικές ενότητες. Η προοπτική για την ανάπτυξη εργασιών στον τομέα της τεχνολογίας επεξεργασίας υλικών στο διάστημα είναι ότι από την πειραματική έρευνα θα υπάρξει σταδιακή μετάβαση στην ημιβιομηχανική παραγωγή σε ένα διαστημόπλοιο ορισμένων υλικών και στη συνέχεια στην παραγωγή σε βιομηχανική κλίμακα. Σύμφωνα με ξένες εκτιμήσεις, μπορεί να αναμένεται ότι μέχρι το 1990 η ροή φορτίου των διαστημικών προϊόντων, καθώς και ο απαραίτητος εξοπλισμός, θα φθάσει σε αρκετές δεκάδες τόνους ετησίως.
Η δημιουργία στην ΕΣΣΔ του μακροπρόθεσμου τροχιακού σταθμού "Salyut" και ενός οικονομικού συστήματος μεταφοράς του με τη βοήθεια του επανδρωμένου διαστημικού σκάφους "Soyuz" και του αυτόματου διαστημικού σκάφους "Progress" ανοίγει νέες μεγάλες ευκαιρίες για τη διεξαγωγή τεχνολογικών πειραμάτων, δοκιμών απαραίτητο εξοπλισμό, καθώς και ανάλυση τεχνολογικών διεργασιών σε συνθήκες παρατεταμένης έλλειψης βαρύτητας.
Η ανάπτυξη και η βελτίωση τροχιακών επανδρωμένων συμπλεγμάτων που έχουν σχεδιαστεί για την επίλυση προβλημάτων επιστημονικής και εφαρμοσμένης φύσης, όπως γνωρίζετε, είναι η κύρια κατεύθυνση στην ανάπτυξη της εγχώριας κοσμοναυτικής. Ένα από τα κύρια καθήκοντα συνδέεται με την ανάπτυξη των επιστημών της συμπεριφοράς της ύλης σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας και με την κάλυψη των αναγκών της παραγωγής υλικών στο διάστημα.
Στο πλαίσιο αυτού του προγράμματος, πραγματοποιήθηκε στη Σοβιετική Ένωση η μεγαλύτερη πτήση στην ιστορία της κοσμοναυτικής του τροχιακού ερευνητικού συγκροτήματος Salyut-6 - Soyuz, η οποία διήρκεσε 96 ημέρες και ολοκληρώθηκε με επιτυχία στις 16 Μαρτίου 1978. Επί του πλοίου αυτό το σύμπλεγμα, οι πιλότοι-κοσμοναύτες της ΕΣΣΔ Yu V. Romanenko, G. M. Grechko, A. A. Gubarev και ο πιλότος-κοσμοναύτης της Τσεχοσλοβακίας V. Remek πραγματοποίησαν σημαντικά νέα τεχνολογικά πειράματα.
Στο μέλλον, καθώς αυξάνονται οι ροές φορτίου, θα βελτιωθούν τα μέσα τροφοδοσίας τροχιακών επιστημονικών συγκροτημάτων. Νέα φορτηγά πλοία θα εμφανιστούν να παραδίδουν εξοπλισμό, όργανα και κενά από διάφορα υλικά σε τροχιακά συγκροτήματα. Τα προϊόντα και τα υλικά που λαμβάνονται στο διάστημα θα παραδοθούν στο διάστημα και θα επιστραφούν στη Γη χρησιμοποιώντας επαναχρησιμοποιήσιμα διαστημόπλοια.Τα τροχιακά συγκροτήματα θα περιλαμβάνουν εξειδικευμένες τεχνολογικές μονάδες.
Ορισμένες τεχνολογικές εργασίες στο διάστημα, όπως η απόκτηση υλικών εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας, απαιτούν την παροχή βαθιάς κενού. Για το σκοπό αυτό, σε συνδυασμό με το DOS, είναι δυνατή η χρήση της λεγόμενης μοριακής οθόνης, η οποία με τη χρήση ειδικής ράβδου τοποθετείται σε απόσταση περίπου 100 m από το πλοίο. Διάμετρος οθόνης - 3 m.
Δεδομένου ότι οι ταχύτητες της θερμικής κίνησης των μορίων του υπολειπόμενου αερίου είναι μικρότερες από την ταχύτητα της προς τα εμπρός κίνησης του διαστημικού σκάφους μαζί με την οθόνη σε τροχιά (8 km/s), μια ζώνη αυξημένης αραίωσης θα εμφανιστεί πίσω από την οθόνη. Η πίεση του υπολειπόμενου αερίου σε αυτή τη ζώνη θα είναι περίπου 10–13 - 10–14 mm Hg. Τέχνη.
Η ανάπτυξη διαστημικών σκαφών μεταφοράς ικανών να παρέχουν οικονομική μεταφορά, η δημιουργία μακροπρόθεσμων τροχιακών σταθμών του τύπου των σοβιετικών διαστημικών σταθμών Salyut ανοίγουν το δρόμο για την κατασκευή λειτουργικών εργοστασίων στο διάστημα για την παραγωγή καθαρών υλικών.
Σύμφωνα με τους ειδικούς, τέτοια διαστημικά εργοστάσια θα αρχίσουν να λειτουργούν τη δεκαετία του 1990.
Μελέτη των φυσικών θεμελίων της διαστημικής παραγωγής
Διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και μάζας.Η αποσαφήνιση των χαρακτηριστικών των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας και μάζας σε συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας είναι απαραίτητη για τη βέλτιστη οργάνωση της παραγωγής νέων υλικών στο διάστημα. Για να μελετηθούν αυτά τα χαρακτηριστικά, πραγματοποιούνται τόσο θεωρητικές όσο και πειραματικές μελέτες.
Ένα τέτοιο πείραμα διεξήχθη στον διαστημικό σταθμό Salyut-5 από τους κοσμοναύτες V. V. Gorbatko και Yu. N. Glazkov τον Φεβρουάριο του 1977. Ο σκοπός αυτού του πειράματος ήταν να μελετήσει τη διαδικασία αμοιβαίας διάχυσης λιωμένων ουσιών υπό συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας.
Αυτές οι μελέτες στο σταθμό Salyut-5 πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή διάχυσης - η συσκευή ήταν ένας κυλινδρικός ηλεκτρικός κλίβανος που περιείχε δύο αμπούλες χαλαζία μέσα, καθεμία από τις οποίες ήταν εν μέρει γεμάτη με διβενζύλιο και εν μέρει με τολάνη. Αυτές οι οργανικές ουσίες έχουν διαφορετικές πυκνότητες και σε θερμοκρασία δωματίου βρίσκονται μέσα κρυσταλλική κατάσταση. Οι αμπούλες σε έναν κυλινδρικό ηλεκτρικό κλίβανο ήταν διατεταγμένες με τέτοιο τρόπο ώστε μια μικρή δύναμη μάζας, που προέκυψε λόγω της αεροδυναμικής επιβράδυνσης του σταθμού, να κατευθυνθεί κατά τον άξονά τους.
Μετά την ενεργοποίηση της συσκευής, και οι δύο ουσίες έλιωσαν και η διαδικασία της αμοιβαίας διάχυσης τους μέσω της διεπαφής μεταξύ των τήγματος συνεχίστηκε για τρεις ημέρες. Η θερμοκρασία σε όλο το μήκος των αμπούλων διατηρήθηκε σταθερή. Μετά την απενεργοποίηση της συσκευής, έγινε ψύξη και στερεοποίηση του κράματος, η δομή του οποίου είχε πολυκρυσταλλικό χαρακτήρα.
Για να συγκριθούν τα αποτελέσματα του διαστημικού πειράματος με τη θεωρία, έγινε υπολογισμός της διαδικασίας μεταφοράς μάζας για συνθήκες που αντιστοιχούν στο πείραμα με τη συσκευή διάχυσης. Ο υπολογισμός έδειξε ότι εφόσον η θερμοκρασία σε όλο το μήκος της αμπούλας παρέμεινε σταθερή κατά τη διάρκεια του πειράματος, δεν θα έπρεπε να υπάρχει θερμική μεταφορά και η μεταφορά συγκέντρωσης που προέκυψε στη διεπιφάνεια του υγρού είχε αξιοσημείωτη επίδραση στη μεταφορά μάζας μόνο στο αρχικό στάδιο της πείραμα. Με άλλα λόγια, σύμφωνα με τους υπολογισμούς που έγιναν, η κύρια συνεισφορά στη μεταφορά μάζας υπό τις υπό μελέτη συνθήκες θα έπρεπε να προέρχεται από καθαρά διεργασίες διάχυσης.
Αφού πραγματοποιήθηκε το πείραμα και οι αστροναύτες επέστρεψαν στη Γη, οι αμπούλες που παραδόθηκαν από το διάστημα μελετήθηκαν προσεκτικά στο εργαστήριο. Μελέτες της κατανομής της ουσίας κατά μήκος της αμπούλας κατέστησαν δυνατό τον προσδιορισμό της τιμής του συντελεστή διάχυσης. Για σύγκριση, πειράματα ελέγχου πραγματοποιήθηκαν στη Γη με τις ίδιες αμπούλες. Αποδείχθηκε ότι η τιμή του συντελεστή διάχυσης που προσδιορίζεται υπό διαστημικές συνθήκες για ένα κράμα διβενζυλίου με τολάνη είναι κοντά στη θεωρητική γνώση (περίπου 9,5 10-6 cm/s 2) και υπερβαίνει κάπως την τιμή που λαμβάνεται σε πειράματα ελέγχου στη Γη, αλλά αυτή η ασυμφωνία είναι εντός του σφάλματος της μεθόδου. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι στη Γη δεν υπάρχει τρόπος να αναπαραχθεί με ακρίβεια η φύση εκείνων των μικροεπιταχύνσεων που επηρέασαν το τήγμα στο διάστημα.
Ένα πείραμα παρόμοιο στο σχεδιασμό πραγματοποιήθηκε επίσης στον διαστημικό σταθμό Skylab. Σε αντίθεση με τις μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στον σταθμό Salyut-5, οι Αμερικανοί επιστήμονες δεν μελέτησαν την αμοιβαία διάχυση δύο διαφορετικών ουσιών, αλλά μια απλούστερη περίπτωση - τη διαδικασία της αυτοδιάχυσης. Για το σκοπό αυτό, ένας δίσκος κατασκευασμένος από το ραδιενεργό ισότοπο ψευδαργύρου Zn 65 εισήχθη σε μια κυλινδρική ράβδο ψευδαργύρου. Όταν θερμάνθηκε, η ράβδος έλιωσε, δημιουργήθηκε μια διαφορά θερμοκρασίας κατά μήκος της, με αποτέλεσμα να ξεκινήσει η διαδικασία διάχυσης του ραδιενεργού ισοτόπου στο βασικό υλικό (αυτοδιάχυση). Υποθέτοντας ότι υπό διαστημικές συνθήκες η επίδραση της μεταφοράς στη μεταφορά μάζας μπορεί να παραμεληθεί και η διαδικασία διάχυσης παίζει τον κύριο ρόλο εκεί, υπολογίστηκε η κατανομή του ραδιενεργού ισοτόπου κατά μήκος της ράβδου. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών συμφωνούν καλά με τα δεδομένα του διαστημικού πειράματος (Εικ. 7). Σε πειράματα ελέγχου που πραγματοποιήθηκαν με παρόμοια δείγματα στη Γη, ο αποτελεσματικός συντελεστής διάχυσης του ραδιενεργού ψευδαργύρου λόγω μεταφοράς αποδείχθηκε ότι ήταν 50 φορές υψηλότερος από ό,τι για τις διαστημικές συνθήκες.
Ρύζι. Εικ. 7. Κατανομή ραδιενεργού ψευδαργύρου κατά μήκος του δείγματος (ο και; - πειράματα στη Γη για δύο θέσεις του δείγματος, συμπαγής γραμμή - υπολογισμός και πειράματα στο διάστημα)
Αυτό το πείραμα, καθώς και το πείραμα με τη συσκευή "Διάχυση", έδειξε ότι για τις συνθήκες που μελετήθηκαν, η επίδραση της μεταφοράς στη μεταφορά μάζας στο τήγμα μπορεί να αγνοηθεί και ότι η διαδικασία μεταφοράς διάχυσης παίζει τον κύριο ρόλο. Αυτό το συμπέρασμα επιβεβαιώνει τη δυνατότητα απόκτησης στο διάστημα κρυσταλλικών υλικών με ομοιογενή δομή, η οποία, υπό επίγειες συνθήκες, διαταράσσεται, ιδίως, από ρεύματα μεταφοράς. Ωστόσο, δεν είναι πάντα δυνατό να πραγματοποιηθεί αυτή η δυνατότητα στην πράξη και να διασφαλιστεί η παραγωγή υλικών με πιο ομοιόμορφη κατανομή των ακαθαρσιών στο χώρο.
Ας δούμε ως παράδειγμα το πείραμα «Universal Furnace», που πραγματοποιήθηκε κατά την κοινή πτήση του διαστημόπλοιου «Soyuz» και «Apollo». Κατά τη διάρκεια αυτού του πειράματος, μελετήθηκε η δυνατότητα λήψης ομοιογενών μονοκρυστάλλων γερμανίου που περιέχουν ακαθαρσίες πυριτίου (0,5% κατά βάρος) και αντιμόνιο (εκατό τοις εκατό). Το κυλινδρικό δείγμα θερμάνθηκε στη θερμοκρασία τήξης, εκτός από το ψυχρό άκρο, το οποίο υποτίθεται ότι θα χρησιμοποιηθεί ως «σπόρος» κατά την κρυστάλλωση. Το δείγμα διατηρήθηκε στη μέγιστη θερμοκρασία για 1 ώρα, μετά την οποία ψύχθηκε για 5 ώρες με ρυθμό 0,6 βαθμών/λεπτό, και στη συνέχεια ο κλίβανος ψύχθηκε ανεξέλεγκτα μέχρι την πλήρη ψύξη (Εικ. 8).
Ρύζι. 8. Φυσίγγιο για το πείραμα "Universal Furnace" (1 - θερμαντικό μπλοκ γραφίτη, 2 - θερμικό ένθετο γραφίτη, 3 - κέλυφος από ανοξείδωτο χάλυβα, 4 - μόνωση, 5 - μηχανισμός ασφάλισης, 6 - μονάδα αφαίρεσης θερμότητας, 7 - θερμικό ένθετο από χαλκό)
Μια ανάλυση των δειγμάτων που παραδόθηκαν στη Γη έδειξε ότι, αντίθετα με τις προσδοκίες, μετά την επανατήξη και τη στερεοποίηση σε συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας, η κατανομή των ακαθαρσιών στη διατομή του δείγματος έγινε λιγότερο ομοιόμορφη. Στην περίπτωση αυτή, η ελαφρύτερη πρόσμιξη (πυρίτιο) μετατοπίστηκε προς μία κατεύθυνση κατά μήκος της διαμέτρου του δείγματος, ενώ η βαρύτερη (αντιμόνιο) κινήθηκε προς την αντίθετη κατεύθυνση. Μια τέτοια ανακατανομή ακαθαρσιών στο δείγμα μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια του πειράματος επηρέασαν μικρές επιταχύνσεις ακριβώς κατά μήκος της διαμέτρου της αμπούλας, λόγω της λειτουργίας των κινητήρων του συστήματος προσανατολισμού και σταθεροποίησης του πλοίου. Ωστόσο, ο συγκεκριμένος μηχανισμός των διεργασιών που οδήγησαν στην επιδείνωση της ομοιογένειας της κατανομής ακαθαρσιών σε αυτό το πείραμα δεν έχει ακόμη καθοριστεί με σαφήνεια.
Είναι πιθανό ότι για το εύρος των επιταχύνσεων που παρατηρήθηκαν στο διαστημόπλοιο Apollo κατά το πείραμα του Universal Furnace, τα ρεύματα μεταφοράς ήταν ιδιαίτερα έντονα. Οι υπολογισμοί των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας και μάζας που πραγματοποιήθηκαν από σοβιετικούς επιστήμονες με τη βοήθεια υπολογιστών για τις συνθήκες που αντιστοιχούν σε αυτό το πείραμα επιβεβαίωσαν αυτή τη δυνατότητα. Σε αυτή την περίπτωση, η ανακατανομή των ακαθαρσιών στο τήγμα και η επιδείνωση της ομοιογένειας του δείγματος μετά την ανακρυστάλλωσή του στο χώρο θα πρέπει να συνδέονται ακριβώς με τα ρεύματα μεταφοράς που έχουν προκύψει στο τήγμα. Υπάρχουν όμως και άλλες πιθανές εξηγήσεις για τα αποτελέσματα του πειράματος «Universal Furnace».
Τα πειράματα που εξετάστηκαν έδειξαν ότι για τη σωστή οργάνωση των διαδικασιών μεταφοράς μάζας στο διάστημα είναι απαραίτητο να παρέχουμε τέτοιες συνθήκες όπου τα αποτελέσματα της μεταφοράς μπορούν να παραμεληθούν. Διαφορετικά, ανάλογα με τις συγκεκριμένες συνθήκες, είναι πιθανή τόσο αύξηση όσο και επιδείνωση της ομοιομορφίας κατανομής των προσμίξεων στα υπό μελέτη υλικά.
Εάν στα παραδείγματα που δίνονται ήταν απαραίτητο να αναλυθεί η πιθανή επίδραση στις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και μάζας της φυσικής μεταφοράς, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος της μικρής επιτάχυνσης που επενεργεί στο διαστημόπλοιο, τότε σε άλλες περιπτώσεις, φαινόμενα μεταφοράς που δεν εξαρτώνται σχετικά με τις επιταχύνσεις θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Ας επισημάνουμε ως παράδειγμα τη θερμοτριχοειδή μεταφορά, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί επίσης να είναι η αιτία για την αλλοίωση της δομής του υλικού που λαμβάνεται στο χώρο.
Για παράδειγμα, στη ζώνη τήξης που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη κρυστάλλων, υπάρχει μια διεπαφή μεταξύ του υγρού και του κορεσμένου ατμού πάνω από αυτό. Η θερμοκρασία μπορεί να αλλάξει κατά μήκος αυτής της επιφάνειας, και δεδομένου ότι η επιφανειακή τάση εξαρτάται από αυτήν, μια ροή μεταφοράς μπορεί να συμβεί κάτω από αυτές τις συνθήκες. Όταν η πτώση της θερμοκρασίας αρχίζει να υπερβαίνει μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, εμφανίζονται στο τήγμα ρεύματα μεταφοράς, τα οποία είναι ταλαντευτικά και οδηγούν σε ανομοιόμορφη ροή ακαθαρσιών στη ζώνη κρυστάλλωσης. Ως αποτέλεσμα, η ακαθαρσία μέσα στον κρύσταλλο θα κατανεμηθεί επίσης ανομοιογενώς (φαινόμενο ζώνης). Σε σύγκριση με την ελεύθερη συναγωγή, η ένταση της οποίας εξαρτάται από το επίπεδο επιτάχυνσης του διαστημικού σκάφους, η υπέρβαση των θερμοτριχοειδών ροών απαιτεί άλλα μέτρα (περιορισμός του μεγέθους των πτώσεων θερμοκρασίας κ.λπ.).
Οι παραπάνω πειραματικές και θεωρητικές μελέτες των διαδικασιών μεταφοράς ύλης σε συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας σχετίζονταν με τήγματα. Ωστόσο, υπό αυτές τις συνθήκες, και για την αέρια κατάσταση της ύλης, οι διαδικασίες μεταφοράς μπορεί να έχουν τα δικά τους χαρακτηριστικά. Ας αναφέρουμε επίσης ως παράδειγμα ένα πείραμα στο σταθμό Skylab, στο οποίο μελετήθηκε η ανάπτυξη κρυστάλλων ημιαγωγών - σεληνιούχου γερμανίου και τελουριδίου - από την αέρια φάση. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι στο θερμό άκρο μιας σφραγισμένης αμπούλας, μια ουσία στην αέρια φάση (ιωδιούχο γερμάνιο) αντιδρά με την επιφάνεια ενός στερεού υλικού πηγής και στη συνέχεια διαχέεται προς το ψυχρό άκρο της αμπούλας υπό τη δράση διαφορά θερμοκρασίας. Εκεί, στην ψυχρότερη ζώνη, οι ατμοί συμπυκνώνονται στον κρύσταλλο των σπόρων και σχηματίζονται οι επιθυμητοί κρύσταλλοι. Αναμενόταν ότι ο ρυθμός μεταφοράς μάζας του προϊόντος στην αέρια φάση θα καθοριζόταν με καθαρά διαδικασίες διάχυσης. Υπό επίγειες συνθήκες, αυτή η ταχύτητα αυξάνεται σημαντικά λόγω της μεταφοράς. Αυτό το πείραμα έδειξε ότι ο πραγματικός ρυθμός μεταφοράς μάζας σε συνθήκες διαστήματος είναι χαμηλότερος από αυτόν που παρατηρείται στη Γη, αλλά υψηλότερος από την τιμή που υπολογίζεται σε μια καθαρά προσέγγιση διάχυσης.
Παρόμοια αποτελέσματα προέκυψαν επίσης σε ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της κοινής πτήσης των διαστημοπλοίων Soyuz και Apollo. Αυτή η απόκλιση στους ρυθμούς μεταφοράς διάχυσης μπορεί να συσχετιστεί με τα χαρακτηριστικά των χημικών αντιδράσεων στην αέρια κατάσταση, τα οποία δεν λαμβάνονται υπόψη στις υπάρχουσες μεθόδους υπολογισμού.
Μηχανική ρευστών.Θεωρώντας τη μηχανική του ρευστού σε μηδενική βαρύτητα ως μία από τις ενότητες των θεωρητικών θεμελίων της παραγωγής διαστήματος, είναι απαραίτητο να μελετηθούν τα ζητήματα της επιφανειακής τάσης και διαβροχής, των τριχοειδών φαινομένων, της σταθερότητας των μορφών ρευστού και της συμπεριφοράς των εγκλεισμάτων που περιέχονται σε αυτό. - φυσαλίδες αερίου, στερεά σωματίδια κ.λπ. Για μια ποιοτική μελέτη αυτών των θεμάτων είναι βολικό να διεξάγονται πειράματα σε διαστημόπλοια χρησιμοποιώντας νερό και υδατικά διαλύματα.
Μια σειρά από παρόμοια πειράματα επίδειξης διεξήχθησαν, για παράδειγμα, στον αμερικανικό διαστημικό σταθμό Skylab. Με τη μέθοδο του φιλμ μελετήθηκαν η συμπεριφορά των σφαιρών νερού που επιπλέουν ελεύθερα, οι δονήσεις τους που προκαλούνται από την ώθηση μιας σύριγγας και η κατάρρευση των σφαιρών κατά την περιστροφή. Η επίδραση της επιφανειακής τάσης στην απόσβεση των ταλαντώσεων του υγρού και στην αλληλεπίδρασή της με μια στερεή επιφάνεια μελετήθηκε με την προσθήκη ενός διαλύματος σαπουνιού στο υγρό, το οποίο οδήγησε σε αλλαγή του συντελεστή επιφανειακής τάσης.
Μια άλλη πειραματική εγκατάσταση, που χρησιμοποιήθηκε στο σταθμό Skylab για πειράματα επίδειξης στη μηχανική ρευστών, κατέστησε δυνατή την προσομοίωση της συμπεριφοράς της πλωτής ζώνης. Στην εγκατάσταση αυτή, ανάμεσα σε δύο ράβδους που μπορούσαν να απομακρυνθούν και να περιστραφούν ανεξάρτητα η μία από την άλλη, δημιουργήθηκε μια υγρή γέφυρα με διαφορετικούς συντελεστές επιφανειακής τάσης (λόγω της προσθήκης διαλύματος σαπουνιού στο νερό). Αυτή η διάταξη χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της σταθερότητας της ζώνης υγρού σε σχέση με την περιστροφή και τη μετατόπιση των ράβδων με μια αλλαγή στην τιμή του συντελεστή επιφανειακής τάσης.
Το επόμενο καθήκον της μηχανικής των ρευστών είναι να μελετήσει τη συμπεριφορά των αερίων και άλλων εγκλείσεων. Η σημασία αυτών των μελετών επισημάνθηκε το 1969 από Σοβιετικούς επιστήμονες που πραγματοποίησαν τα πρώτα πειράματα συγκόλλησης στο διαστημόπλοιο Soyuz-6 και σημείωσαν την εμφάνιση εγκλεισμάτων αερίων στις συγκολλήσεις. Στη Γη, οι φυσαλίδες αφαιρούνται από το υγρό υπό τη δράση της δύναμης του Αρχιμήδη, αυτό δεν συμβαίνει στο διάστημα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τέτοια εγκλείσματα μπορεί να οδηγήσουν σε υποβάθμιση της ποιότητας του υλικού. Για να ελέγξουν τη δυναμική των αερίων και άλλων εγκλεισμάτων σε υγρά, Σοβιετικοί επιστήμονες πρότειναν τη χρήση υπερηχητικών δονήσεων ενός υγρού και πραγματοποίησαν πειράματα σε ένα ιπτάμενο εργαστήριο υπό συνθήκες βραχυπρόθεσμης έλλειψης βαρύτητας, γεγονός που επιβεβαίωσε την υπόσχεση αυτής της μεθόδου.
Δεδομένης της σημασίας της έρευνας στον τομέα της μηχανικής των ρευστών, τα αντίστοιχα πειράματα συμπεριλήφθηκαν επίσης στο πρόγραμμα πειραμάτων στον σταθμό Salyut-5. Σκοπός αυτών των πειραμάτων ήταν η διερεύνηση της κίνησης ενός υγρού υπό τη δράση μόνο των τριχοειδών δυνάμεων και η λήψη ποιοτικών δεδομένων για τη συμπεριφορά των φυσαλίδων σε ένα υγρό υπό συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν από τους κοσμοναύτες B.V. Voltov και V.M. Zholobov χρησιμοποιώντας όργανα Potok και Reaktiya.
Η συσκευή Potok ήταν ένα ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο κατασκευασμένο από διαφανές πλεξιγκλάς και περιείχε δύο κοιλότητες στο εσωτερικό της, η εσωτερική επιφάνεια της μιας από τις οποίες βρέχεται από νερό και της άλλης όχι. Οι σφαιρικές κοιλότητες διασυνδέονται με τριχοειδείς και αποστραγγιστικούς αγωγούς εξοπλισμένους με βαλβίδες διακοπής. Πριν από την έναρξη του πειράματος, οι βαλβίδες άνοιξαν και υπό τη δράση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης, ένα υδατικό διάλυμα έρεε από μια κοιλότητα αρχικά γεμάτη με υγρό με μη βρεγμένα τοιχώματα σε μια κοιλότητα, τα τοιχώματα της οποίας ήταν βρεγμένα με νερό. Μέσω του καναλιού αποστράγγισης, η πίεση του αέρα μεταξύ των κοιλοτήτων εξισορροπήθηκε. Κατά τη δοκιμή του οργάνου σε ένα ιπτάμενο εργαστήριο, η διαδικασία ροής ρευστού από τη μια κοιλότητα στην άλλη καταγράφηκε χρησιμοποιώντας φιλμ.
Κατά τη δοκιμή της συσκευής στο σταθμό Salyut-5, μελετήθηκε η αντίσταση μιας φυσαλίδας αερίου σε ένα υγρό στη μηχανική καταπόνηση. Όταν η συσκευή ανακινήθηκε έντονα, η φυσαλίδα αερίου στην κοιλότητα γεμάτη υγρό έσπασε σε μεγάλο αριθμό (περίπου 100) μικρών φυσαλίδων. Στη συνέχεια, αυτές οι φυσαλίδες συγχωνεύτηκαν σταδιακά σε μία μεγάλη, αλλά η διάρκεια αυτής της διαδικασίας ήταν σημαντική - περίπου δύο ημέρες.
Ρύζι. 9. Σχέδιο της θέσης του σωλήνα και της σύζευξης στη συσκευή "Αντίδραση".
Η συσκευή Reaktiya αποτελούνταν από μια θήκη και δύο δοχεία με κυλινδρικά εξω-πακέτα, μέσα σε καθένα από τα οποία υπήρχε ένας σωλήνας από ανοξείδωτο χάλυβα με έναν σύνδεσμο (Εικ. 9). Η κόλληση μαγγανίου-νικελίου τοποθετήθηκε στο διάκενο μεταξύ του σωλήνα και του χιτωνίου, το οποίο έλιωσε κατά τη διάρκεια του πειράματος, απλώθηκε κατά μήκος του κενού και στερεοποιήθηκε κατά την ψύξη και παρείχε ισχυρές συγκολλημένες ενώσεις μεταξύ του χιτωνίου και του σωλήνα. Όπως έδειξε η μελέτη των δειγμάτων συγκόλλησης που παραδόθηκαν στη Γη, η υγρή συγκόλληση έβρεξε τις επιφάνειες και έρεε μέσω του τριχοειδούς κενού που σχηματίστηκε μεταξύ της εσωτερικής επιφάνειας του συνδέσμου και του σωλήνα από τη δακτυλιοειδή κοιλότητα μεγαλύτερο μέγεθοςσε μια μικρότερη δακτυλιοειδή κοιλότητα (Εικ. 10).
Έτσι, χρησιμοποιώντας τη συσκευή «Αντίδραση», αποδείχθηκε η πιθανότητα υπερχείλισης υγρού υπό την επίδραση δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Αυτή η μέθοδος ελέγχου ροής ρευστού μπορεί να είναι χρήσιμη στην πράξη, για παράδειγμα, για την παραγωγή χυτευμένων προϊόντων πολύπλοκου σχήματος στο χώρο. Παρόμοια πειράματα για τη μελέτη της εξάπλωσης υγρού μετάλλου (κασσίτερος) κατά μήκος χάλκινων καλουπιών σύνθετου σχήματος υπό τη δράση δυνάμεων επιφανειακής τάσης πραγματοποιήθηκαν επίσης κατά την εκτόξευση ενός πυραύλου μεγάλου υψόμετρου στην ΕΣΣΔ τον Μάρτιο του 1976.
Ρύζι. 10. Εγκάρσια (α) και διαμήκη (β) τμήματα μιας ένωσης συγκόλλησης στη συσκευή αντίδρασης
διαδικασίες κρυστάλλωσης. Η πιο σημαντική διαδικασία απόκτησης υλικών σε διαστημικές συνθήκες είναι η κρυστάλλωσή τους. Οι απλοί κρύσταλλοι μπορούν να ληφθούν από διαλύματα, τήγματα ή από τη φάση ατμού. Τα χαρακτηριστικά και των τριών μεθόδων απόκτησης κρυστάλλων μελετήθηκαν σε διάφορα διαστημόπλοια. Ας εξετάσουμε ως παράδειγμα τα πειράματα ανάπτυξης κρυστάλλων που έγιναν στο σταθμό Salyut-5, καθώς και κατά τη διάρκεια της κοινής πτήσης του διαστημικού σκάφους Soyuz και Apollo.
Στο σταθμό Salyut-5, μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά της ανάπτυξης κρυστάλλων από υδατικά διαλύματα. Σπίτι εγγύησηπαρόμοια πειράματα στο διάστημα είναι η έλλειψη μεταφοράς στο υγρό, η οποία οδηγεί σε διακυμάνσεις στον ρυθμό ανάπτυξης και τη σύνθεση του κρυστάλλου. Από αυτή την άποψη, η ποιότητα των κρυστάλλων που λαμβάνονται στο διάστημα θα πρέπει να είναι υψηλότερη. Αλλά από την άλλη πλευρά, υπό κοσμικές συνθήκες, η δύναμη του Αρχιμήδη δεν δρα στις φυσαλίδες αερίου σε ένα υγρό, και αυτές οι φυσαλίδες μπορούν να συλληφθούν με την ανάπτυξη κρυστάλλινων όψεων.
Η μελέτη αυτών των διεργασιών στο σταθμό Salyut-5 πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της συσκευής Kristall. Ήταν ένας θερμοστάτης με τρεις κρυσταλλοποιητές, σε καθέναν από τους οποίους αναπτύχθηκαν κρύσταλλοι στυπτηρίας καλίου από το υδατικό τους διάλυμα (βλ. Εικ. 6). Ως υλικό υπό μελέτη επιλέχθηκε η στυπτηρία καλίου, καθώς οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά ανάπτυξής τους στη Γη είναι καλά μελετημένα. Για να προκληθεί η διαδικασία κρυστάλλωσης, ένα κομμάτι κρυστάλλου («σπόρος») εισήχθη σε κάθε ένα από τα διαλύματα. Στις όψεις του άρχισε η ανάπτυξη του κρυστάλλου, το υλικό του οποίου, λόγω διάχυσης, προήλθε από το διάλυμα. Στο σχ. 11 δείχνει δείγματα κρυστάλλων στυπτηρίας καλίου που αναπτύχθηκαν στον τροχιακό σταθμό Salyut-5.
Το πείραμα με τον κρυσταλλωτή Νο. 1 διήρκεσε 24 ημέρες (από τις 14 Ιουλίου έως τις 8 Αυγούστου 1976). Η πρώτη αποστολή στο σταθμό Salyut-5 - οι κοσμοναύτες B.V. Volynov και V.M. Zholobov - παρέδωσε κρυστάλλους από αυτόν τον κρυσταλλοποιητή στη Γη, οι οποίοι αναπτύχθηκαν όχι μόνο στον "σπόρο", αλλά και στον όγκο του κρυσταλλοποιητή (μαζική ή ογκομετρική κρυστάλλωση ). Το πείραμα με τον κρυσταλλωτή Νο. 2 διήρκεσε 185 ημέρες (από τις 9 Αυγούστου 1976 έως τις 11 Φεβρουαρίου 1977). Το μεγαλύτερο μέρος αυτού του πειράματος έλαβε χώρα ενώ ο σταθμός Salyut-5 ήταν σε μη επανδρωμένη ελεγχόμενη λειτουργία. Η δεύτερη αποστολή - οι κοσμοναύτες V. V. Gorbatko και Yu. N. Glazkov - παρέδωσε στη Γη μεγάλο αριθμό κρυστάλλων που ελήφθησαν κατά τη μαζική κρυστάλλωση. Παρατηρήθηκε ένα ενδιαφέρον φαινόμενο - η σύντηξη μεμονωμένων κρυστάλλων σε αλυσίδες ("κολιέ"). Το πείραμα στον κρυσταλλωτή Νο. 3 διεξήχθη για 11 ημέρες. Ένας κρύσταλλος που αναπτύχθηκε σε έναν «σπόρο» παραδόθηκε στη Γη· δεν υπήρξε κρυστάλλωση μάζας σε αυτόν τον κρυσταλλοποιητή (βλ. Εικ. 11).
Η μελέτη των κρυστάλλων που αναπτύχθηκαν στον κρυσταλλοποιητή Νο. 1 έδειξε ότι οι «κοσμικοί» κρύσταλλοι διαφέρουν από εκείνους που αναπτύσσονται στη Γη τόσο ως προς την εξωτερική πρόσοψη των κρυστάλλων (αυτές οι κρυσταλλικές όψεις που συνήθως αναπτύσσονται ελάχιστα σε επίγεια δείγματα είναι καλά αναπτυγμένες) όσο και στην εσωτερική δομή (τα κοσμικά δείγματα περιέχουν αυξημένη ποσότητα εγκλεισμάτων αερίου-υγρού). Η μελέτη των κρυστάλλων που ελήφθησαν με κρυστάλλωση μάζας στον κρυσταλλωτή Νο. 2 έδειξε ότι περιέχουν επίσης εγκλείσματα αερίου-υγρού. Παρατηρούνται αλληλοαναπτύξεις τεσσάρων έως πέντε μεμονωμένων κρυστάλλων. Για έναν κρύσταλλο που αναπτύσσεται στο καλούπι Νο. 3, είναι χαρακτηριστική η εναλλαγή ζωνών που περιέχουν εγκλείσματα αερίου με ζώνες χωρίς εγκλείσματα.
Ρύζι. Εικ. 11. Κρύσταλλοι στυπτηρίας καλίου που αναπτύχθηκαν στο σταθμό Salyut-5 (α - δείγματα από το καλούπι Νο. 1, β - από το καλούπι Νο. 2, γ - από το καλούπι Νο. 3)
Μελέτες κρυστάλλων που παραδόθηκαν από το διάστημα έδειξαν επίσης ότι δεν παρουσιάζουν ζώνες, κάτι που είναι χαρακτηριστικό των επίγειων συνθηκών και υποδηλώνει διακυμάνσεις στον ρυθμό ανάπτυξης. Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να οφείλεται στην απουσία μεταφοράς στο διάλυμα υπό συνθήκες χώρου.
Η πηγή των εγκλεισμάτων αερίου-υγρού στους κρυστάλλους είναι προφανώς φυσαλίδες αερίου που διαλύονται στο υγρό και απελευθερώνονται στο μέτωπο κρυστάλλωσης. Οι φυσαλίδες αερίου συλλαμβάνονται από τον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο και προκαλούν τον παρασυρμό του υγρού διαλύματος. Χρησιμοποιώντας απαερωμένα διαλύματα σε επόμενα πειράματα, θα είναι δυνατή η ανάπτυξη κρυστάλλων στο διάστημα που δεν περιέχουν τέτοια εγκλείσματα. Οι αλληλοαναπτύξεις κρυστάλλων που παρατηρήθηκαν στον κρυσταλλωτή Νο. 2, στον οποίο η διαδικασία κρυστάλλωσης συνεχίστηκε για περίπου μισό χρόνο, οφείλονται προφανώς στην αμοιβαία έλξη των κρυστάλλων που αναπτύσσονται στον όγκο του υγρού για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Τα χαρακτηριστικά της ανάπτυξης κρυστάλλων από το τήγμα μελετήθηκαν επίσης χρησιμοποιώντας το γερμάνιο ως παράδειγμα, επίσης σε ένα πείραμα που διεξήχθη κατά τη διάρκεια της πτήσης του διαστημικού σκάφους Soyuz-Apollo. Τα δείγματα δοκιμής τοποθετήθηκαν σε αμπούλες, οι οποίες εγκαταστάθηκαν σε ηλεκτρικό κλίβανο, όπου το γερμάνιο υποβλήθηκε σε μερική τήξη που ακολουθήθηκε από στερεοποίηση στον προγραμματισμένο τρόπο ψύξης με ρυθμό 2,4 deg/min. Για να προσδιοριστεί πειραματικά ο ρυθμός ανάπτυξης των κρυστάλλων, τα σημάδια της επιφάνειας διαχωρισμού φάσης πραγματοποιήθηκαν κάθε τέσσερα δευτερόλεπτα περνώντας σύντομους παλμούς μέσω του τήγματος ηλεκτρικό ρεύμα. Κατά την επεξεργασία των δειγμάτων μετά την πτήση, αυτά τα σημάδια αποκαλύφθηκαν και μετρήθηκε ο ρυθμός ανάπτυξης των κρυστάλλων από αυτά, ο οποίος στο τέλος της περιόδου ψύξης ήταν περίπου 10-3 cm/s. Σε πειράματα ελέγχου που έγιναν στη Γη, αυτή η ταχύτητα αποδείχθηκε περίπου η ίδια. Το αποτέλεσμα αυτό σημαίνει ότι, τόσο στο διάστημα όσο και στη Γη, η μεταφορά θερμότητας στο τήγμα προσδιορίστηκε για αυτή την περίπτωση κυρίως από τη θερμική αγωγιμότητα, ενώ ο ρόλος της μεταφοράς είναι αμελητέα. Οι κρύσταλλοι που αποκτήθηκαν στο διάστημα ήταν πολύ μεγαλύτεροι από εκείνους που αναπτύχθηκαν στη Γη στην ίδια διάταξη.
Στο πείραμα, το οποίο πραγματοποιήθηκε επίσης στο πλαίσιο του προγράμματος Soyuz-Apollo, μελετήθηκε η ανάπτυξη κρυστάλλων από τη φάση ατμού. Κρύσταλλοι τύπου γερμανίου - σεληνίου - τελλουρίου αναπτύχθηκαν σε σφραγισμένες αμπούλες, οι οποίες τοποθετήθηκαν σε ζώνη με διαφορά θερμοκρασίας σε ηλεκτρική κάμινο θέρμανσης. Το πείραμα έδειξε ότι οι κρύσταλλοι που παραδίδονται από το διάστημα είναι πιο τέλειοι από τα δείγματα ελέγχου που λαμβάνονται στη Γη (μεγαλύτερη ομοιογένεια, λιγότερα ελαττώματα κρυσταλλικού πλέγματος κ.λπ.). Ταυτόχρονα, διαπιστώθηκε ότι, αντίθετα με τις θεωρητικές προσδοκίες, ο ρυθμός μεταφοράς μάζας υπερβαίνει την τιμή που υπολογίστηκε σε καθαρά προσέγγιση διάχυσης, αλλά είναι χαμηλότερη από την τιμή που ελήφθη σε πειράματα ελέγχου στη Γη, όπου η μεταφορά έπαιξε σημαντικό ρόλο. Αυτό το αποτέλεσμα απαιτεί ακόμα μια θεωρητική εξήγηση.
Έτσι, πειράματα που έγιναν στο διάστημα σε αναπτυσσόμενους κρυστάλλους από διαλύματα, τήγματα και από τη φάση ατμού έδειξαν ότι υπό διαστημικές συνθήκες είναι δυνατό να ληφθούν κρυσταλλικά υλικά με υψηλότερη τελειότητα και ομοιομορφία. Ταυτόχρονα, έχει διαπιστωθεί ότι μια σειρά από πειραματικά παρατηρούμενα χαρακτηριστικά ανάπτυξης κρυστάλλων στην έλλειψη βαρύτητας δεν έχουν λάβει ακόμη την απαραίτητη θεωρητική κάλυψη και χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης.
Στερεοποίηση χωρίς κοντέινερ σε έλλειψη βαρύτητας.Οι διαδικασίες διαμόρφωσης υγρών σωμάτων και στερεοποίησής τους σε συνθήκες που δεν επηρεάζονται από τη δύναμη του βάρους έχουν τα δικά τους χαρακτηριστικά. Πρώτον, το υγρό, που αφήνεται μόνο του κάτω από αυτές τις συνθήκες, τείνει, όπως είναι γνωστό, να πάρει τη μορφή μπάλας. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, όταν ένα υγρό στερεοποιείται, προκύπτουν μια σειρά από φαινόμενα που περιπλέκουν τη διαδικασία σφαιροποίησης: ελεύθερες διακυμάνσεις του όγκου του υγρού, διαφορετικοί ρυθμοί ψύξης του υγρού στην επιφάνεια και στον όγκο, κ.λπ. Δεύτερον, οι διαδικασίες στερεοποίησης και κρυστάλλωσης ενός τέτοιου υγρού σε έλλειψη βάρους μπορεί επίσης να προχωρήσει σύμφωνα με -άλλο. Πρώτα απ 'όλα, αυτό αφορά τη μεταφορά, η οποία, υπό επίγειες συνθήκες, εξομαλύνει τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στο τήγμα και συμβάλλει στη σταθερότητα της διαδικασίας κρυστάλλωσης. Τρίτον, στην περίπτωση κραμάτων πολλαπλών συστατικών, η απουσία βαρύτητας μπορεί να επηρεάσει την ανακατανομή των συστατικών μέσα στο υγρό, και συνεπώς την ομοιογένεια του δείγματος.
Το σύνολο αυτών των ζητημάτων διερευνήθηκε σε πειράματα στο σταθμό Skylab, καθώς και σε ένα πείραμα με τη συσκευή Sphere στο σταθμό Salyut-5. Στο πρώτο από αυτά τα πειράματα, ακατέργαστα τεμάχια καθαρού νικελίου ή κραμάτων του έλιωναν από μια δέσμη ηλεκτρονίων και στη συνέχεια ψύχονταν επιπλέοντας ελεύθερα σε έναν θάλαμο κενού στον σταθμό Skylab. Οι μελέτες εδάφους των ληφθέντων δειγμάτων έδειξαν ότι η απόκλιση του σχήματός τους από το σφαιρικό είναι περίπου 1%, και τα δείγματα που παρασκευάζονται από κράματα περιέχουν εσωτερικούς πόρους. Ο σκοπός ενός άλλου πειράματος ήταν η λήψη υλικών χωρίς βαρύτητα με ομοιόμορφο πορώδες με επανατήξη πλέγματος αργύρου. Οι Αμερικανοί επιστήμονες δεν κατάφεραν να αποκτήσουν τέτοια υλικά, αλλά όταν έλιωναν λεπτά ασημένια πλέγματα σε αμπούλες, παρατηρήθηκε σφαιροποίηση υγρών σταγόνων αργύρου. Οι μελέτες εδάφους αυτού του τμήματος των σκληρυμένων σταγονιδίων, που δεν είχαν καμία επαφή με τα τοιχώματα της αμπούλας κατά την ψύξη, έδειξαν ότι το σχήμα τους απέχει πολύ από το τέλειο. Η επιφάνεια των δειγμάτων καλύπτεται με πλέγμα αυλακώσεων, ενώ στον όγκο τους υπάρχουν κοιλότητες συρρίκνωσης. Η εσωτερική δομή των δειγμάτων είχε κυτταρικό χαρακτήρα. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι ήταν η κυτταρική στερεοποίηση και ο σχηματισμός κελυφών που εμπόδισαν το σχηματισμό πιο κανονικών σφαιρών υπό συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας.
Προκειμένου να ληφθούν νέες πληροφορίες σχετικά με τις διαδικασίες που συνοδεύουν τη στερεοποίηση υγρού μετάλλου χωρίς δοχείο στο σταθμό Salyut-5, δημιουργήθηκε ένα πείραμα με τη συσκευή Sfera. Ως δοκιμαστική ουσία επιλέχθηκε το ευτηκτικό κράμα Wood, το οποίο έχει ελάχιστο σημείο τήξης (περίπου 70 °C) και επομένως επιτρέπει την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ισχύος (10 W). Η χημική σύνθεση του κράματος που ερευνήθηκε (κατά βάρος): βισμούθιο - 40, μόλυβδος - 40, κάδμιο - 10, κασσίτερος - 10%. Η συσκευή «Σφαίρα» ήταν μια ηλεκτρική θερμάστρα, μέσα στην οποία έλιωνε το υπό έρευνα τεμάχιο βάρους 0,25 g, το οποίο στη συνέχεια ωθήθηκε σε μια σακούλα lavsan χρησιμοποιώντας μια ράβδο. Μέσα σε αυτόν τον σάκο, το χυτό ψύχθηκε και στερεοποιήθηκε χωρίς να έρχεται σε επαφή με τους τοίχους. Ο χρόνος κατά τον οποίο το προφόρμα που τοποθετήθηκε στη θερμάστρα θερμάνθηκε μέχρι το σημείο τήξης ήταν 30 δευτερόλεπτα στη Γη. Σε περίπτωση έλλειψης βαρύτητας, η επαφή μεταξύ του τεμαχίου εργασίας και των τοιχωμάτων του θερμαντήρα θα πρέπει να επιδεινωθεί· επομένως, ο χρόνος θέρμανσης του δείγματος αυξήθηκε στα 2 λεπτά.
Το δείγμα που παραδόθηκε στη Γη μετά την ολοκλήρωση των πειραμάτων είχε ελλειψοειδές σχήμα και η επιφάνειά του καλύφθηκε με τυχαία διατεταγμένες ίνες (σύμφωνα με τον κοσμοναύτη V. M. Zholobov, το δείγμα έμοιαζε με σκαντζόχοιρο). Όπως έδειξε η ανάλυση, η εσωτερική δομή του δείγματος άλλαξε επίσης πολύ λόγω της επανατήξης στο διάστημα: ομοιόμορφη κατανομήΣυστατικά κράματος κατ' όγκο, σχηματίστηκαν βελονοειδείς κρύσταλλοι που διαφέρουν στη χημική σύνθεση κ.λπ. Ο πιθανός λόγος για αυτές τις αλλαγές είναι, προφανώς, στα χαρακτηριστικά της θερμικής κατάστασης του τήγματος κατά τη στερεοποίησή του υπό περιορισμό χωρίς δοχείο. Οι προσπάθειες επιλογής υπό εργαστηριακές συνθήκες ενός τέτοιου θερμικού καθεστώτος για την επεξεργασία ενός τεμαχίου από κράμα ξύλου, που θα οδηγούσε σε παρόμοια δομή χύτευσης, δεν έδωσαν θετικό αποτέλεσμα, προφανώς, επειδή είναι αδύνατο να αναπαραχθεί η διατήρηση δείγματος χωρίς δοχείο στη Γη.
Έτσι, οι μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα στον τομέα των φυσικών θεμελίων της διαστημικής παραγωγής, συμπεριλαμβανομένων των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν σε διάφορα διαστημόπλοια, επιβεβαίωσαν την ορθότητα των γενικών ιδεών σχετικά με τα χαρακτηριστικά των φυσικών διεργασιών στην έλλειψη βαρύτητας και παρείχαν άμεσες πειραματικές αποδείξεις για την δυνατότητα απόκτησης υλικών με βελτιωμένα χαρακτηριστικά στο χώρο. Ταυτόχρονα, τα πειράματα έδειξαν την ανεπάρκεια των υφιστάμενων ποσοτικών θεωριών αυτών των διεργασιών και αποκάλυψαν την ανάγκη για ειδικές μελέτες με στόχο την ανάπτυξη των θεωρητικών θεμελίων για την παραγωγή νέων υλικών στο διάστημα.
διαστημική μεταλλουργία
Η μεταλλουργία ασχολείται με την παραγωγή μετάλλων και με διαδικασίες που δίνουν στα κράματα μετάλλων τις απαραίτητες ιδιότητες αλλάζοντας τη σύνθεση και τη δομή τους. Η μεταλλουργία περιλαμβάνει τις διαδικασίες καθαρισμού μετάλλων από ανεπιθύμητες ακαθαρσίες, την παραγωγή μετάλλων και κραμάτων, τη θερμική επεξεργασία μετάλλων, τη χύτευση, την επίστρωση στην επιφάνεια των προϊόντων κ.λπ. Οι περισσότερες από αυτές τις διαδικασίες περιλαμβάνουν μεταβάσεις φάσης σε υγρές ή αέριες καταστάσεις, για τις οποίες Η επίδραση των δυνάμεων μάζας στη σύνθεση και τη δομή του τελικού υλικού μπορεί να είναι σημαντική. Επομένως, η μεταφορά μεταλλουργικών διεργασιών στο διάστημα ανοίγει θεμελιώδεις δυνατότητες για την παραγωγή υλικών με βελτιωμένα χαρακτηριστικά, καθώς και υλικών που δεν μπορούν να ληφθούν στη Γη.
Οι μεταλλουργικές διεργασίες σε διαστημικές συνθήκες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση των παρακάτω προβλημάτων.
1. Παρασκευή κραμάτων στα οποία δεν υπάρχει διαχωρισμός λόγω της δύναμης του Αρχιμήδη (λήψη σύνθετων υλικών, κραμάτων υψηλής ομοιογένειας και καθαρότητας, αφρού μετάλλων).
2. Προετοιμασία κραμάτων απουσία ρευμάτων μεταφοράς (μονοί κρύσταλλοι χωρίς ελαττώματα, βελτιωμένη ευτηκτική και μαγνητικά υλικά).
3. Χύτευση χωρίς βαρύτητα (προετοιμασία μεμβρανών, σύρματος, χυτών προϊόντων σύνθετου σχήματος).
4. Τήξη μετάλλων και κραμάτων χωρίς χωνευτήριο (καθαρισμός μετάλλων και κραμάτων, ομοιογενής στερεοποίησή τους).
5. Ανάπτυξη μεθόδων για την απόκτηση μόνιμων αρμών σε διαστημικά οχήματα (συγκόλληση, συγκόλληση κ.λπ.).
Ας εξετάσουμε εν συντομία την κατάσταση της έρευνας που στοχεύει στην απόκτηση υλικών στο διάστημα με μεταλλουργικές μεθόδους.
Κρύσταλλοι και κράματα χωρίς ελαττώματα.Για την παραγωγή κραμάτων, τα αρχικά συστατικά μπορούν να παρασκευαστούν τόσο στην υγρή όσο και στην αέρια (ατμού) φάση, ακολουθούμενη από κρυστάλλωση. Στην έλλειψη βαρύτητας, λόγω της απουσίας διαχωρισμού φάσεων, μπορούν να καθοριστούν αυθαίρετοι συνδυασμοί εξαρτημάτων σε οποιαδήποτε κατάσταση. Είναι δυνατό, συγκεκριμένα, να επιτευχθεί μια άμεση μετάβαση από τη φάση ατμού στο στερεό, παρακάμπτοντας το τήγμα. Τα υλικά που λαμβάνονται με εξάτμιση και συμπύκνωση έχουν λεπτότερη δομή, η οποία συνήθως είναι δύσκολο να ληφθεί στις διαδικασίες τήξης και στερεοποίησης (η τήξη σε συνθήκες χώρου μπορεί να θεωρηθεί ως μέθοδος καθαρισμού). Σε αυτή την περίπτωση, τα ακόλουθα αποτελέσματα είναι πιθανά στο τήγμα: εξάτμιση ενός πιο πτητικού συστατικού, καταστροφή χημικές ενώσεις(οξείδια, νιτρίδια κ.λπ.).
Η πιο σημαντική διαδικασία για την παραγωγή κραμάτων είναι η στερεοποίηση. Αυτή η διαδικασία επηρεάζει σημαντικά τη δομή του μετάλλου. Κατά τη στερεοποίηση, μπορεί να προκύψουν διάφορα ελαττώματα στη δομή του μετάλλου: ετερογένεια του κράματος ως προς τη χημική σύσταση, το πορώδες κ.λπ. Η παρουσία πτώσης θερμοκρασίας και συγκέντρωσης στο τήγμα μπορεί να οδηγήσει σε συναγωγή. Εάν το τήγμα στερεοποιηθεί υπό συνθήκες διακυμάνσεων της θερμοκρασίας, τότε συμβαίνουν τοπικές διακυμάνσεις στον ρυθμό ανάπτυξης των κρυστάλλων, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε ένα τέτοιο ελάττωμα όπως η δομή κρυστάλλου με ταινία. Για να ξεπεραστεί αυτό το δομικό ελάττωμα, απαιτούνται μέτρα για τη μείωση της μεταφοράς.
Υπό συνθήκες χώρου, ανοίγει η δυνατότητα παρασκευής ομοιογενών μιγμάτων που αποτελούνται από συστατικά με διαφορετικές πυκνότητες και με διαφορετικά σημεία τήξης. Στη Γη, τέτοια μείγματα δεν μπορούν να είναι σταθερά λόγω της δύναμης του Αρχιμήδη. Μια ειδική κατηγορία κραμάτων αυτού του τύπου είναι τα μαγνητικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των νέων υπεραγωγών.
Είχε προηγουμένως επισημανθεί ότι ένα από τα πλεονεκτήματα της μεθόδου τήξης ζώνης σε διαστημικές συνθήκες είναι ότι είναι δυνατό να ληφθούν μεμονωμένοι κρύσταλλοι μεγαλύτερων μεγεθών από ό,τι στη Γη. Η απουσία βαρύτητας καθιστά επίσης δυνατή την οργάνωση των διαδικασιών κατευθυνόμενης κρυστάλλωσης με νέο τρόπο. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να ληφθούν μουστάκια μεγάλου μήκους ("μουστάκια" ή "μουστάκια") με αυξημένη δύναμη.
Ας εξετάσουμε πειράματα στα οποία διερευνήθηκαν οι πρακτικές δυνατότητες της διαστημικής μεταλλουργίας. Έτσι, σε ένα πείραμα στο σταθμό Skylab, λήφθηκαν κράματα από συστατικά που αναμειγνύονται ελάχιστα σε επίγειες συνθήκες. Σε τρεις αμπούλες τοποθετήθηκαν ακατέργαστα κράματα χρυσού-γερμανίου, μολύβδου-ψευδάργυρου-αντιμονίου, μολύβδου-κασσιτέρου-ινδίου. Υπό συνθήκες διαστήματος, τα δείγματα επανατήκονται για αρκετές ώρες, διατηρούνται σε θερμοκρασία πάνω από το σημείο τήξης και στη συνέχεια ψύχονται. Τα δείγματα που παραδόθηκαν στη Γη έχουν μοναδικές ιδιότητες: η ομοιογένεια των υλικών αποδείχθηκε υψηλότερη από αυτή των δειγμάτων ελέγχου που ελήφθησαν στη Γη και το κράμα χρυσού με γερμάνιο αποδείχθηκε υπεραγώγιμο σε θερμοκρασία περίπου 1,5 Κ. Ανάλογα μείγματα που λαμβάνεται από ένα τήγμα στη Γη δεν διαθέτουν αυτή την ιδιότητα. , προφανώς λόγω της έλλειψης ομοιογένειας.
Στο πλαίσιο του σοβιετικού-αμερικανικού προγράμματος ASTP, πραγματοποιήθηκε ένα τέτοιο πείραμα, σκοπός του οποίου ήταν να μελετηθεί η δυνατότητα απόκτησης μαγνητικών υλικών με βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Για έρευνα επιλέχθηκαν κράματα μαγγανίου-βισμούθιου και χαλκού-κοβαλτίου-δημητρίου. Η μέγιστη θερμοκρασία των 1075 °C διατηρήθηκε στη ζώνη εργασίας του ηλεκτρικού κλιβάνου για 0,75 ώρες και στη συνέχεια ο κλίβανος ψύχθηκε για 10,5 ώρες. Η στερεοποίηση έλαβε χώρα κατά την περίοδο ύπνου των αστροναυτών προκειμένου να μειωθεί η ανεπιθύμητη επίδραση των κραδασμών κατά τις κινήσεις τους μέσα στο σταθμό. Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα αυτού του πειράματος είναι ότι τα δείγματα του πρώτου τύπου, στερεοποιημένα στο διαστημόπλοιο, έχουν δύναμη καταναγκασμού που είναι 60% υψηλότερη από αυτή των δειγμάτων ελέγχου που λαμβάνονται στη Γη.
Σύνθετα υλικά.Τα σύνθετα υλικά, ή σύνθετα υλικά, είναι υλικά που δημιουργούνται τεχνητά και αποτελούνται από ένα κύριο συνδετικό υλικό και ένα ανθεκτικό ενισχυτικό πληρωτικό. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τον συνδυασμό αλουμινίου (συγκολλητικό υλικό) με χάλυβα που παρασκευάζεται με τη μορφή νημάτων (ενισχυτικό υλικό). Αυτό περιλαμβάνει επίσης αφρώδες μέταλλα, δηλαδή μέταλλα, ο όγκος των οποίων περιέχει μεγάλο αριθμό ομοιόμορφα κατανεμημένων φυσαλίδων αερίου. Σε σύγκριση με τα συστατικά που τα σχηματίζουν, τα σύνθετα υλικά έχουν νέες ιδιότητες - αυξημένη αντοχή με χαμηλότερο ειδικό βάρος. Μια προσπάθεια απόκτησης σύνθετων υλικών με βάση σε υγρή κατάσταση υπό επίγειες συνθήκες οδηγεί σε αποκόλληση του υλικού. Η παρασκευή σύνθετων υλικών σε συνθήκες χώρου μπορεί να προσφέρει μια πιο ομοιόμορφη κατανομή του ενισχυτικού πληρωτικού.
Στον σταθμό Skylab δημιουργήθηκε επίσης ένα πείραμα, σκοπός του οποίου ήταν η λήψη σύνθετων υλικών ενισχυμένων με «μουστάκια» καρβιδίου του πυριτίου (ειδικό βάρος 3.1). Ως κύριο υλικό (μήτρας) επιλέχθηκε ο άργυρος (ειδικό βάρος 9,4). Τα σύνθετα υλικά με μεταλλική βάση ενισχυμένη με «μουστάκια» παρουσιάζουν πρακτικό ενδιαφέρον λόγω της υψηλής αντοχής τους. Η τεχνική για την παραγωγή τους βασίζεται σε διαδοχικές διαδικασίες ανάμειξης, συμπίεσης και πυροσυσσωμάτωσης.
Κατά τη διεξαγωγή ενός διαστημικού πειράματος, τα μεγέθη σωματιδίων της σκόνης αργύρου ήταν ~ 0,5 mm, η διάμετρος των μουστάκια καρβιδίου του πυριτίου ήταν ~ 0,1 μm και το μέσο μήκος ήταν ~ 10 μm. Ο σωλήνας χαλαζία που στέγαζε το δείγμα είχε ένα έμβολο γραφίτη-χαλαζία με ένα ελατήριο για τη συμπίεση του δείγματος μετά την τήξη προκειμένου να εξωθηθούν τα κενά από το τήγμα. Μια μελέτη σύνθετων υλικών που παραδίδονται στο χώρο έδειξε ότι, σε σύγκριση με τα δείγματα ελέγχου, έχουν πολύ πιο ομοιόμορφη δομή και υψηλότερη σκληρότητα. Στην περίπτωση των υλικών που λαμβάνονται στη Γη, η δομική διαστρωμάτωση είναι σαφώς ορατή και τα "μουστάκια" επιπλέουν προς τα πάνω.
Ευτηκτική.Η ευτηκτική είναι ένα λεπτό μείγμα στερεά, η κρυστάλλωση του οποίου λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο τήξης οποιουδήποτε από τα συστατικά ή οποιωνδήποτε άλλων μιγμάτων αυτών των συστατικών. Η θερμοκρασία στην οποία κρυσταλλώνεται ένα τέτοιο τήγμα ονομάζεται ευτηκτική θερμοκρασία. Τα κράματα αυτού του τύπου σχηματίζονται συχνά από συστατικά που είναι πολύ διαφορετικά μεταξύ τους (για παράδειγμα, το ευτηκτικό κράμα Wood περιλαμβάνει βισμούθιο, μόλυβδο, κασσίτερο, κάδμιο). Τα ευτηκτικά υλικά χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιστήμη και την τεχνολογία: χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πτερυγίων αεριοστροβίλων, ως υπεραγώγιμα και ειδικά οπτικά υλικά.
Για την προετοιμασία της ευτηκτικής χρησιμοποιείται συνήθως η μέθοδος της κατευθυντικής στερεοποίησης, δηλαδή η στερεοποίηση σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε συνθήκες χώρου έχει αναμφισβήτητο ενδιαφέρον, διότι λόγω της απουσίας μεταφοράς, η ομοιογένεια του υλικού μπορεί να βελτιωθεί και εξαλείφοντας την επαφή του τήγματος με τα τοιχώματα, είναι δυνατό να ληφθεί χωρίς οξείδια υλικά που θα έχουν χρήσιμες οπτικές ιδιότητες.
Μια ποικιλία ευτηκών είναι συστήματα δύο φάσεων όπως τα "μουστάκια". Πρόκειται για βελονοειδή μονοκρυστάλλους με πολύ τέλεια δομή, η αντοχή των οποίων, λόγω της απουσίας ξένων εγκλεισμάτων, προσεγγίζει το θεωρητικά δυνατό. Σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, τέτοια υλικά μπορούν να αναπτυχθούν και να εισαχθούν σε υγρό μέταλλο με μεθόδους σύνθετης χύτευσης. Ένας άλλος τύπος ευτηκτικής είναι οι λεπτές επιταξιακές μεμβράνες. Τέτοιες μεμβράνες χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή τρανζίστορ με την εναπόθεση ενός υλικού σε μια στερεή βάση - ένα υπόστρωμα από μια υγρή ή αέρια φάση. Η εκδήλωση μεταφοράς σε υγρό ή αέριο οδηγεί σε παραμόρφωση του πλέγματος των επιταξιακών μεμβρανών, στην εμφάνιση ανεπιθύμητων εγκλεισμάτων και άλλων δομικών ελαττωμάτων σε αυτά.
Ένας αριθμός πειραμάτων διεξήχθη υπό διαστημικές συνθήκες για τη μελέτη ευτηκτικών κραμάτων. Για παράδειγμα, σε ένα πείραμα στο σταθμό Skylab, διερευνήθηκε η επίδραση της έλλειψης βαρύτητας στη δομή ενός κράματος χαλκού-αλουμινίου κατά την κατευθυντική στερεοποίηση. Στα δείγματα που παραδόθηκαν από το διάστημα, ο αριθμός των ελαττωμάτων μειώθηκε κατά 12-20%. Σε ένα άλλο πείραμα στο σταθμό Skylab και το MA 131 κατά τη διάρκεια της κοινής πτήσης των διαστημοπλοίων Soyuz και Apollo, μελετήθηκε η παραγωγή ευτηκών αλογονιδίων δύο φάσεων (NaCl-NaF στην πρώτη περίπτωση και NaCl-LiF στη δεύτερη). Κατά τη στερεοποίηση μιας τέτοιας ευτηκτικής, μία από τις φάσεις (NaF ή LiF) μπορεί να σχηματίσει νημάτια ενσωματωμένα στην άλλη φάση ως υλικό μήτρας.
Τέτοιες ευτητικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικές ίνες για την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Οι νηματοειδείς ευτηκτικές που παράγονται στη Γη έχουν μεγάλο αριθμό ελαττωμάτων, η εμφάνιση των οποίων σχετίζεται με ταλαντωτικές κινήσεις μεταφοράς στο υγρό. Η δομή των ευτηκών αλογονιδίων που ελήφθησαν στο διάστημα αποδείχθηκε πιο τέλεια, γεγονός που οδήγησε στη βελτίωσή τους. Προδιαγραφές. Έτσι, ο συντελεστής μετάδοσης φωτός για το δείγμα του πρώτου τύπου αυξήθηκε κατά 40 φορές και του δεύτερου τύπου - κατά 2 φορές σε σύγκριση με παρόμοια δείγματα που αναπτύχθηκαν στη Γη.
Τεχνολογία για την απόκτηση μόνιμων συνδέσεων.Όπως σημειώθηκε παραπάνω, η πρώτη εργασία στον κόσμο σε αυτόν τον τομέα πραγματοποιήθηκε στη Σοβιετική Ένωση το 1969 στο διαστημόπλοιο Soyuz-6. Στον σοβιετικό διαστημικό σταθμό Salyut-5, οι κοσμοναύτες B. V. Volynov και V. M. Zholobov συνέχισαν την έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση, πραγματοποιώντας επιτυχώς πειράματα για τη συγκόλληση μετάλλων χρησιμοποιώντας τη συσκευή Reaction. Η συσκευή «Αντίδραση» (βλ. Εικ. 6) και το εξωεμπορευματοκιβώτιο που τοποθετήθηκε σε αυτήν δεν ήταν ερμητικά από τη σχεδίασή της, και επομένως, για την προσομοίωση των συνθηκών συγκόλλησης στο εξωτερικό διάστημα, ο αέρας εκκενώθηκε εκ των προτέρων από την σφραγισμένη περιοχή μεταξύ του χιτωνίου και του σωλήνα ( βλέπε Εικ. 9). Ο σωλήνας και ο σύνδεσμος κατασκευάστηκαν από ανοξείδωτο χάλυβα και για να δημιουργηθούν τριχοειδή κενά μεταξύ τους, έγινε ραβδί με βάθος 0,25 mm στην επιφάνεια του σωλήνα. Ως συγκόλληση επιλέχθηκε η συγκόλληση μαγγανίου-νικελίου υψηλής θερμοκρασίας (θερμοκρασία συγκόλλησης 1200–1220 °C), η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλές μηχανικές ιδιότητες και καλή αντοχή στη διάβρωση.
Επίγειες μεταλλογραφικές μελέτες και δοκιμές συγκολλήσεων (για πυκνότητα κενού, για μηχανική αντοχή σε ελεγκτή εφελκυσμού με εσωτερική πίεση έως και 500 atm) έχουν δείξει ότι οι αρμοί συγκόλλησης που λαμβάνονται στο διάστημα δεν είναι κατώτερες σε ποιότητα από αυτές που λαμβάνονται σε επίγειες συνθήκες , και τους ξεπερνούν σε μια σειρά από δείκτες. Συγκεκριμένα, παρατηρείται ομοιόμορφη πλήρωση των κενών με συγκόλληση και η μεταλλική μικροδομή είναι πιο ομοιόμορφη (βλ. Εικ. 10).
Αποτελέσματα δοκιμών στο διαστημόπλοιο διάφορες μεθόδουςΗ συγκόλληση και η συγκόλληση επιβεβαιώνουν ότι όταν εκτελούνται εργασίες στερέωσης και συναρμολόγησης σε πολλά υποσχόμενα διαστημικά αντικείμενα, αυτές οι μέθοδοι για την απόκτηση μόνιμων αρμών θα βρουν ευρεία εφαρμογή.
υλικά ημιαγωγών
Ημιαγωγοί - ουσίες που έχουν ηλεκτρονική αγωγιμότητα, και από άποψη ηλεκτρικής αγωγιμότητας καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ καλών αγωγών (μέταλλα) και μονωτών (διηλεκτρικά). Τυπικοί ημιαγωγοί είναι, για παράδειγμα, το γερμάνιο και το πυρίτιο. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Υπό τη δράση του φωτός, η ηλεκτρική αγωγιμότητα ορισμένων ημιαγωγών αυξάνεται. τέτοια υλικά μερικές φορές αναφέρονται ως φωτοαγωγοί. Οι ιδιότητες των ημιαγωγών είναι επίσης πολύ ευαίσθητες στην τελειότητα του κρυσταλλικού τους πλέγματος και στην παρουσία ακαθαρσιών. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η παρουσία μιας ακαθαρσίας στη μικρότερη συγκέντρωση (για παράδειγμα, 10 -6 ή 10 -7) είναι ο αποφασιστικός παράγοντας που καθορίζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του ημιαγωγού. Αυτές οι μοναδικές ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών εξασφάλισαν την ευρύτερη χρήση τους σε όλους σχεδόν τους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας.
Η κατασκευή ημιαγωγών υλικών στο διάστημα μπορεί να προσφέρει σημαντικά οφέλη για διάφορους λόγους. Πρώτον, οι ιδιότητες αυτών των υλικών εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την τεχνολογία παρασκευής τους και πολλές ανεπιθύμητες ενέργειες προκαλούνται από την εκδήλωση της δύναμης βάρους (μεταφορά στο τήγμα, διαχωρισμός συστατικών διαφορετικών πυκνοτήτων κ.λπ.). Δεύτερον, υπό συνθήκες χώρου, η ομοιομορφία της κατανομής ρύπων σε έναν ημιαγωγό μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά.
Ας στραφούμε στην εξέταση συγκεκριμένων τεχνολογικών πειραμάτων που στοχεύουν στην πραγματοποίηση των ενδεικνυόμενων πλεονεκτημάτων της κατασκευής ημιαγωγών υλικών στο διάστημα.
Ανάπτυξη μονοκρυστάλλων από τήγματα.Τα ελαττώματα στους μονοκρυστάλλους ημιαγωγών κατά την ανάπτυξή τους από ένα τήγμα προκύπτουν λόγω της εμφάνισης ροών μεταφοράς στο τήγμα διαφορετικού τύπου, καθώς και λόγω της εισόδου ανεπιθύμητων ακαθαρσιών σε αυτό. Για να αναπτυχθεί ένας μόνο κρύσταλλος από ένα τήγμα, είναι απαραίτητη μια διαφορά θερμοκρασίας και σε αυτή την περίπτωση, συχνά συμβαίνει θερμική μεταφορά στη Γη. Τα ρεύματα μεταφοράς οδηγούν στην εμφάνιση τοπικών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στο υγρό και λόγω του γεγονότος ότι η διαλυτότητα της ακαθαρσίας στο τήγμα εξαρτάται από τη θερμοκρασία, σε μια ανομοιογενή κατανομή της ακαθαρσίας στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο. Αυτό το φαινόμενο, λόγω της μεταφοράς, ονομάζεται λωρίδα ή μικροδιαχωρισμός. Η ζώνη είναι ένα από τα ελαττώματα στη δομή των μονοκρυστάλλων ημιαγωγών. Λόγω της πιθανότητας μείωσης του ρόλου της μεταφοράς στο διάστημα, αναμένεται ότι οι μονοκρυστάλλοι που αναπτύσσονται σε ένα διαστημόπλοιο θα έχουν μια πιο ομοιόμορφη δομή.
Για να εκτιμηθεί η επίδραση των ρευμάτων μεταφοράς στο φαινόμενο του διαχωρισμού, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μονοκρυστάλλων γερμανίου εμποτισμένου με ακαθαρσίες, ένα τέτοιο πείραμα πραγματοποιήθηκε στο σταθμό Skylab. Οι κρύσταλλοι που ήταν εγκατεστημένοι σε αμπούλες τοποθετήθηκαν σε ηλεκτρικό κλίβανο θέρμανσης, όπου πρώτα τήκονταν μερικώς και στη συνέχεια, υπό συνθήκες σχεδόν σταθερής διαφοράς θερμοκρασίας, ψύχονταν και κρυσταλλώθηκαν. Γάλλιο, αντιμόνιο και βόριο χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσμικτες σε διαφορετικές αμπούλες. Η σύγκριση με δείγματα ελέγχου που ελήφθησαν με την ίδια μέθοδο στη Γη έδειξε ότι ο διαχωρισμός των ακαθαρσιών σε κρυστάλλους γερμανίου που παραδόθηκαν από το διάστημα αποδείχθηκε αρκετές φορές μικρότερος. Στην περίπτωση του γερμανίου με γάλλιο, διερευνήθηκε επίσης η σχετική ομοιομορφία της ειδικής αντίστασης του υλικού κατά το μήκος του δείγματος. Για επίγεια δείγματα, ήταν ? ?/? ? 6,4 10 -2, και για χώρο - 0,8 10 -2.
Η διαδικασία κρυστάλλωσης γερμανίου με πρόσμειξη με γάλλιο μελετήθηκε επίσης κατά την εκτόξευση ενός σοβιετικού πυραύλου μεγάλου υψόμετρου τον Δεκέμβριο του 1976. Σε αυτό το πείραμα, χρησιμοποιήθηκε μια εξώθερμη πηγή θερμότητας για τη θέρμανση των δειγμάτων. Μια μελέτη των αμπούλων που παραδόθηκαν στη Γη έδειξε ότι το μέτωπο τήξης είχε ένα αρκετά επίπεδο σχήμα. Αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαίωσε την υπόσχεση χρήσης συσκευών αυτού του τύπου c. πειράματα για τη λήψη ημιαγωγών υλικών.
Σε άλλα πειράματα στο σταθμό Skylab, ελήφθησαν μονοκρυστάλλοι αντιμονιδίου του ινδίου. Στο πρώτο από αυτά, μια ράβδος αντιμονιδίου του ινδίου τοποθετήθηκε μέσα σε μια κάψουλα γραφίτη με τέτοιο τρόπο ώστε το ελεύθερο άκρο της να βρίσκεται σε ένα κοίλο ημισφαίριο. Σκοπός του πειράματος είναι μια προσπάθεια απόκτησης σφαιρικών κρυστάλλων. Ωστόσο, λόγω του γεγονότος ότι το τήγμα προσκολλήθηκε εν μέρει στο τοίχωμα γραφίτη της κοιλότητας, το σχήμα των κρυστάλλων που προέκυψαν αποδείχθηκε ότι δεν ήταν σφαιρικό, αλλά σε σχήμα σταγόνας. Ωστόσο, η κρυσταλλική δομή έγινε πιο τέλεια: η πυκνότητα εξάρθρωσης μειώθηκε κατά 5-10 και η ακαθαρσία (σελήνιο) κατανεμήθηκε πιο ομοιόμορφα από ό,τι στα δείγματα ελέγχου που ελήφθησαν στη Γη.
Ένα άλλο πείραμα περιελάμβανε επανατήξη και επακόλουθη στερεοποίηση δειγμάτων αντιμονιδίου του ινδίου που περιέχονταν σε τρεις σφραγισμένες φύσιγγες: η μία περιέχει καθαρό αντιμονίδιο ινδίου, η άλλη περιέχει ντοπαρισμένο με τελλούριο και η τρίτη περιέχει ντοπαρισμένο με κασσίτερο. Οι μελέτες των ληφθέντων κρυστάλλων έδειξαν επίσης την υψηλή ομοιογένειά τους.
Σε μια σειρά πειραμάτων, μελετήθηκε η δυνατότητα λήψης ημιαγωγών υλικών από τήγματα που αποτελούνται από συστατικά που διαφέρουν πολύ ως προς το ειδικό βάρος. Για παράδειγμα, σε ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της κοινής πτήσης του διαστημικού σκάφους Soyuz και Apollo, διερευνήθηκε η επίδραση της έλλειψης βαρύτητας στην κατευθυντική στερεοποίηση των υλικών ημιαγωγών. Χρησιμοποιήθηκαν ζεύγη μολύβδου-ψευδάργυρου και αντιμονίου-αλουμινίου. Τα κοσμικά δείγματα του κράματος αντιμονίου-αλουμινίου αποδείχθηκαν πιο ομοιογενή σε σύγκριση με τα επίγεια. Στην περίπτωση του κράματος μολύβδου-ψευδάργυρου, δεν μπορούσε να επιτευχθεί πλήρης ομοιογένεια.
Καλλιέργεια μονοκρυστάλλων από διαλύματα.Εάν ένας κρύσταλλος σπόρου εισαχθεί σε ένα υπερκορεσμένο διάλυμα της επιθυμητής ουσίας, τότε ο κρύσταλλος θα αναπτυχθεί πάνω του σε σταθερή θερμοκρασία. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη κρυστάλλων που χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές ηχητικών κυμάτων, στην οπτική κ.λπ. Ένας αναπτυσσόμενος κρύσταλλος είναι ευαίσθητος σε οποιεσδήποτε αλλαγές στις συνθήκες ανάπτυξης: διακυμάνσεις θερμοκρασίας και συγκέντρωσης, εμφάνιση ρευμάτων μεταφοράς, παρουσία ξένων ακαθαρσιών, κ.λπ. Αλλάζοντας τις συνθήκες διέγερσης τα ρεύματα μεταφοράς σε διάλυμα, μια διαφορετική συμπεριφορά των ακαθαρσιών στην έλλειψη βαρύτητας θα επηρεάσει τα χαρακτηριστικά της ανάπτυξης κρυστάλλων στο διαστημόπλοιο.
Τα αποτελέσματα μιας πειραματικής μελέτης των χαρακτηριστικών της ανάπτυξης κρυστάλλων στυπτηρίας καλίου από το υπερκορεσμένο υδατικό τους διάλυμα, η οποία πραγματοποιήθηκε στο σταθμό Salyut-5, παρουσιάζονται στο προηγούμενο κεφάλαιο.
Ανάπτυξη κρυστάλλων από τη φάση ατμού.Η ανάπτυξη κρυστάλλων με τη μέθοδο της φάσης ατμού χρησιμοποιείται ευρέως για τη λήψη επιταξιακών μεμβρανών ημιαγωγών υλικών. Ένα σχηματικό διάγραμμα μιας συσκευής για την ανάπτυξη κρυστάλλων από τη φάση ατμού φαίνεται στο σχ. 5. Υπό κανονικές συνθήκες, η μέθοδος είναι ευαίσθητη στη διέγερση της συναγωγής, η οποία οδηγεί στην εμφάνιση ελαττωμάτων στο κρυσταλλικό πλέγμα. Επιπλέον, υπάρχει μια τάση για πολυκρυστάλλωση, είναι δύσκολο να αποκτηθούν μεγάλοι κρύσταλλοι με αυτή τη μέθοδο στη Γη.Σε συνθήκες διαστήματος, μπορεί κανείς να βασιστεί στον περιορισμό του ρόλου της μεταφοράς και στη βελτίωση της ποιότητας των υλικών που λαμβάνονται, καθώς και στην αύξηση του μέγεθος μονοκρυστάλλων.
Τα αναμενόμενα αποτελέσματα διερευνήθηκαν επίσης στο πείραμα Skylab. Η τεχνική ανάπτυξης κρυστάλλων σε φάση ατμού εφαρμόστηκε σε σεληνιούχο γερμάνιο και τελλουρίδιο γερμανίου. Λήφθηκαν κρύσταλλοι, η ποιότητα των οποίων αποδείχθηκε υψηλότερη από αυτή των δειγμάτων ελέγχου που παρασκευάστηκαν στη Γη. Ήταν δυνατό να ληφθούν επίπεδοι μονοκρυστάλλοι σεληνιούχου γερμανίου με μέγεθος 4 x 17 mm και πάχος περίπου 0,1 mm. Στη Γη, έχουν ληφθεί μόνο μικροί κρύσταλλοι με ατελή δομή.
Λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα αποτελέσματα, κατά τη διάρκεια της κοινής πτήσης των διαστημοπλοίων Soyuz και Apollo, πραγματοποιήθηκε ένα τέτοιο πείραμα. Εδώ, η τεχνική της ανάπτυξης κρυστάλλων από τη φάση ατμού εφαρμόστηκε σε πιο πολύπλοκα συστήματα: γερμάνιο-σελήνιο-τελλούριο και γερμάνιο-θείο-σελήνιο. Τα δείγματα που ελήφθησαν υπό διαστημικές συνθήκες αποδείχθηκαν επίσης πιο τέλεια και η δομή τους πιο ομοιογενής.
Οπτικό γυαλί και κεραμικά
Η επίδραση των συνθηκών κοντά στην έλλειψη βαρύτητας στην τεχνολογία παραγωγής γυαλιού μπορεί να είναι διαφορετική. Πρώτον, η τήξη χωρίς δοχεία μπορεί να πραγματοποιηθεί με μηδενική βαρύτητα, μειώνοντας έτσι απότομα την είσοδο επιβλαβών ακαθαρσιών στο υλικό από τα τοιχώματα του χωνευτηρίου στο οποίο τήκεται το γυαλί. Δεύτερον, είναι δυνατό να εξασφαλιστεί η σταθερότητα των υγρών μιγμάτων, τα συστατικά των οποίων διαφέρουν πολύ σε πυκνότητα. Τρίτον, η απουσία ελεύθερης μεταφοράς μειώνει την πιθανότητα εμφάνισης τυχαίων κέντρων κρυστάλλωσης και βελτιώνει την ομοιομορφία. Τέταρτον, ο κυρίαρχος ρόλος των τριχοειδών δυνάμεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δώσει στο υγρό τήγμα το απαιτούμενο σχήμα (ίνες, μεμβράνες κ.λπ.) πριν από τη στερεοποίηση. Η χρήση αυτών των παραγόντων καθιστά δυνατή την μέτρηση (απόκτηση βελτιωμένων ή ποιοτικά νέων τύπων γυαλιών, καθώς και γυάλινων προϊόντων στη διαδικασία παραγωγής διαστήματος.
Στο σχ. 12 δείχνει πώς ο όγκος της μάζας που σχηματίζει τηγμένο γυαλί αλλάζει με τη θερμοκρασία. Όταν, καθώς το τήγμα ψύχεται, επιτυγχάνεται η θερμοκρασία στερεοποίησης Τ Μ, η περαιτέρω διαδικασία μπορεί να αναπτυχθεί με δύο τρόπους. Εάν υπάρχουν πυρήνες στο τήγμα (ακαθαρσίες που προέρχονται από τα τοιχώματα του χωνευτηρίου, τοπικές ανομοιογένειες στη χημική σύνθεση κ.λπ.), τότε μπορεί να ξεκινήσει η κρυστάλλωση στον όγκο και ο όγκος θα μειωθεί σύμφωνα με την κάτω καμπύλη. Εάν, από την άλλη πλευρά, ο σχηματισμός πυρήνων κρυστάλλωσης μπορεί να κατασταλεί και ο ρυθμός ψύξης μπορεί να γίνει αρκετά μεγάλος, τότε θα εμφανιστεί πρώτα η κατάσταση ενός υπερψυκτικού υγρού, το οποίο, όταν επιτευχθεί η θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου, Τ σολπερνά στο γυαλί (άνω καμπύλη στο Σχ. 12). Στο διάστημα, η διαδικασία τήξης του γυαλιού χωρίς χωνευτήριο είναι δυνατή και η ομοιογένεια του τήγματος θα είναι υψηλότερη λόγω της απουσίας μεταφοράς. Αυτά τα πλεονεκτήματα ανοίγουν τη δυνατότητα απόκτησης βελτιωμένων και νέων τύπων οπτικού γυαλιού στο διαστημόπλοιο.
Ρύζι. 12. Μεταβολή του όγκου του υγρού με τη θερμοκρασία κατά την τήξη του γυαλιού (Τ Μ - θερμοκρασία κρυστάλλωσης.Τ σολ - Θερμοκρασία μετατροπής γυαλιού. 1 - λιώστε; 2 - υπερψυγμένο υγρό. 3 - γυαλί? 4 - κρύσταλλο)
Ταυτόχρονα, για την επιτυχή ανάπτυξη της παραγωγής γυαλιού σε διαστημικές συνθήκες, προφανώς, θα πρέπει να ξεπεραστούν ορισμένες τεχνικές δυσκολίες: αφαίρεση ανεπιθύμητων φυσαλίδων αερίου από μια υαλώδη μάζα απουσία άνωσης, εξασφάλιση δεδομένου ρυθμού ψύξης χωρίς φυσική συναγωγή, έλεγχος καθεστώς θερμοκρασίαςψύξη και αποδεκτό επίπεδο τυχαίων επιταχύνσεων σε συνθήκες συγκράτησης της υαλώδους μάζας χωρίς περιέκτη.
Όλα όσα έχουν ειπωθεί για τις ιδιαιτερότητες της παραγωγής γυαλιού υπό διαστημικές συνθήκες ισχύουν και για την παραγωγή κεραμικών.
Ας εξετάσουμε εν συντομία μερικούς πολλά υποσχόμενους τομείς παραγωγής γυαλιού και κεραμικών στο διάστημα. Σκοπός αυτών των μελετών είναι να διερευνηθεί η δυνατότητα λήψης γυαλιών με βελτιωμένα οπτικά χαρακτηριστικά, με υψηλό σημείο τήξης, απορρόφησης και ανάκλασης θερμότητας, για την κατασκευή λέιζερ στερεάς κατάστασης που είναι ανθεκτικά σε χημικά ενεργά μέσα και διατηρούν τις ιδιότητές τους για μεγάλο χρονικό διάστημα. χρονικές περιόδους, γυαλιά ημιαγωγών με «μνήμη» για ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Η διαστημική παραγωγή αυτών των γυαλιών μπορεί να προσφέρει μια σειρά από πλεονεκτήματα. Τα ημιαγώγιμα γυαλιά, για παράδειγμα, έχουν υψηλό δείκτη διάθλασης στην υπέρυθρη περιοχή. Κατά την τήξη τους στη Γη, είναι δύσκολο να εξασφαλιστεί επαρκής οπτική ομοιομορφία. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η παραγωγή γυαλιών για λέιζερ στερεάς κατάστασης που περιέχουν ακαθαρσίες υψηλής συγκέντρωσης (νεοδύμιο, υττέρβιο κ.λπ.). Στο διάστημα, είναι δυνατό να αυξηθεί η ομοιομορφία της κατανομής των ακαθαρσιών και ταυτόχρονα να μειωθεί η ροή επιβλαβών ρύπων από τα τοιχώματα του δοχείου.
Λόγω της απουσίας της δύναμης του Αρχιμήδη και του κυρίαρχου ρόλου των τριχοειδών δυνάμεων σε συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας, είναι δυνατή η παραγωγή γυάλινων προϊόντων που αποτελούνται από ανόμοιες πρώτες ύλες και έχουν υψηλή τελειότητα επιφάνειας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο χωρίς δοχείο. Ως παράδειγμα, θεωρήστε τα στερεά φίλτρα, τα οποία είναι ένα εναιώρημα μικρών διαφανών σωματιδίων μέσα σε ένα διαφανές υλικό, επιλεγμένα με τέτοιο τρόπο ώστε οι δείκτες διάθλασης αυτών των σωματιδίων και του υλικού να συμπίπτουν μόνο για ένα μήκος κύματος. Ως αποτέλεσμα, η ακτινοβολία φωτός μόνο αυτού του μήκους κύματος θα περάσει μέσα από το φίλτρο χωρίς απώλεια, και για όλα τα άλλα μήκη κύματος θα υπάρχει ισχυρή σκέδαση και απορρόφηση φωτός λόγω πολλαπλών ανακλάσεων μεταξύ των σωματιδίων. Στην έλλειψη βαρύτητας, είναι δυνατό να επιτευχθεί υψηλή ομοιομορφία κατανομής σωματιδίων στο βασικό υλικό.
Η παραγωγή γυαλιού χωρίς δοχεία στο διάστημα θα μπορούσε να μειωθεί σχετικός αριθμόςμερικά από τα πιο κοινά ελαττώματα. Αυτά τα ελαττώματα περιλαμβάνουν:
1) κρύσταλλα, δηλαδή εγκλείσματα που ξεχωρίζουν από το ίδιο το γυαλί κατά τη στερεοποίηση.
2) ξένα εγκλείσματα (η υαλοποίηση χωρίς περιέκτη μπορεί να μειώσει δραστικά τη συγκέντρωσή τους).
3) striae, δηλαδή στρώσεις από ένα ποτήρι σε ένα άλλο, που έχει διαφορετικό χημική σύνθεση(η πηγή των ραβδώσεων είναι επίσης σε μεγάλο βαθμό η εισροή ακαθαρσιών από τα τοιχώματα του χωνευτηρίου).
4) φυσαλίδες, δηλαδή εγκλείσματα αερίων, για να εξαλειφθούν υπό συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας, η υγρή υαλώδης μάζα μπορεί να πρέπει να υποβληθεί σε ειδική επεξεργασία (περιστροφή, δόνηση κ.λπ.).
Σημαντική βελτίωση στο υλικό μπορεί να αναμένεται και στην περίπτωση της παραγωγής οπτικών ινών στο διάστημα. Ένας τέτοιος οδηγός φωτός είναι τυπικά μια υάλινη ράβδος υψηλής διαθλαστικής ικανότητας που περιβάλλεται από μια κατώτερη επένδυση από διαθλαστικό γυαλί. Μια μεγάλη διαφορά μεταξύ αυτών των συντελεστών εξασφαλίζει χαμηλή απορρόφηση και υψηλή διαπερατότητα μέσω του οδηγού φωτός.
Η ποιότητα ενός οδηγού φωτός εξαρτάται από την ακρίβεια της σχέσης μεταξύ των διαμέτρων της ράβδου και του κελύφους, καθώς και μεταξύ των δεικτών διάθλασής τους. Εάν στη διεπιφάνεια μεταξύ της ράβδου και του κελύφους υπάρχουν ανομοιογένειες όχι μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός (διαφορά διαμέτρου, ελαττώματα δομής γυαλιού, ανομοιογένεια δείκτη διάθλασης κ.λπ.), τότε η φωτεινή ενέργεια θα διασκορπιστεί μερικώς και θα απορροφηθεί σε αυτές. Η μόλυνση από γυαλί (με βαριά ιόντα, υδρατμούς κ.λπ.) επηρεάζει επίσης έντονα την τιμή απορρόφησης Υπό συνθήκες διαστήματος, είναι δυνατό να βελτιωθεί η τεχνολογία για την παραγωγή οδηγών φωτός από ίνες αφαιρώντας τις ανεπιθύμητες ακαθαρσίες κατά την τήξη χωρίς δοχείο, εξισώνοντας τις διαμέτρους λόγω ο κυρίαρχος ρόλος των δυνάμεων επιφανειακής τάσης στο τήγμα.
Ως παράδειγμα πολλά υποσχόμενων κεραμικών υλικών, η παραγωγή των οποίων στο διάστημα μπορεί να είναι κερδοφόρα, παρουσιάζουμε ευτητικές που στερεοποιούνται προς μια κατεύθυνση. Με αυτή τη μέθοδο, μεταλλικά νήματα μπορούν να ενσωματωθούν στην κεραμική βάση.
Υπάρχουν επίσης προτάσεις για την παραγωγή στο χώρο ενός άλλου τύπου κεραμικών υλικών - σύνθετων μικροκυκλωμάτων. Αυτά τα κεραμικά αποτελούνται από μια υαλώδη μάζα που περιέχει αιωρούμενα σωματίδια που καθορίζουν τα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά των υλικών. Υπό συνθήκες χωρίς βάρος, μπορεί κανείς να υπολογίζει σε αύξηση της ομοιογένειάς τους.
Λόγω της πολυπλοκότητας της τεχνολογίας για την απόκτηση γυαλιού, η πειραματική έρευνα σε διαστημόπλοια προς αυτή την κατεύθυνση έχει μείνει πολύ πίσω από την εργασία σε άλλους τομείς της διαστημικής παραγωγής. Τον Μάρτιο και τον Δεκέμβριο του 1976, όταν εκτοξεύτηκαν πύραυλοι μεγάλου ύψους στην ΕΣΣΔ, πραγματοποιήθηκαν για πρώτη φορά πειράματα τήξης γυαλιού. Με τη χρήση εξώθερμων πηγών ενέργειας, οι διαδικασίες τήξης και σχηματισμού γυαλιού μελετήθηκαν σε συνθήκες κοντά στην έλλειψη βαρύτητας, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα γυαλιού με πληρωτικό (γυαλί με αλουμίνιο), καθώς και εξαιρετικά ισχυρό φωσφορικό γυαλί. Ένα δείγμα φωσφορικού γυαλιού που παραδίδεται από το διάστημα αποτελείται εν μέρει από ζώνες με εγκλείσματα αερίου και εν μέρει - από μια ζώνη ομοιογενούς υλικού. Το λαμβανόμενο κράμα αλουμινίου-γυαλιού έχει ημιαγώγιμες ιδιότητες.
Βιοϊατρικά προϊόντα
Ένα από τα σημαντικά καθήκοντα που συνδέονται με την παραγωγή βιοϊατρικών προϊόντων (εμβόλια, ένζυμα, ορμόνες κ.λπ.) είναι ο καθαρισμός τους. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι η αύξηση της καθαρότητας των χρησιμοποιούμενων εμβολίων μειώνει την πιθανότητα επιβλαβών παρενεργειών όταν χρησιμοποιούνται, και αυτό, με τη σειρά του, σας επιτρέπει να αυξήσετε τη δόση και να αυξήσετε την αποτελεσματικότητα του θεραπευτικού φαρμάκου.
Μία από τις πιο κοινές μεθόδους καθαρισμού και διαχωρισμού κυτταρικού βιολογικού υλικού βασίζεται στη χρήση ηλεκτροφόρησης. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται σε διασκορπισμένα συστήματα, δηλαδή συστήματα που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες φάσεις με πολύ ανεπτυγμένη διεπαφή μεταξύ τους, και μία από τις φάσεις (η διάσπαρτη φάση) κατανέμεται με τη μορφή μικρά σωματίδια- σταγονίδια, φυσαλίδες κ.λπ. - σε άλλη φάση (μέσο διασποράς). Τα συστήματα διασποράς περιλαμβάνουν βιολογικές ουσίες. Εάν ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο εφαρμοστεί σε ένα τέτοιο μέσο, τότε υπό την επιρροή του, τα διασκορπισμένα σωματίδια που αιωρούνται στο υγρό αρχίζουν να κινούνται. Αυτό είναι το φαινόμενο της ηλεκτροφόρησης.
Τα διεσπαρμένα σωματίδια που αιωρούνται σε ένα υγρό μέσο έρχονται υπό τη δράση του ηλεκτρικό πεδίοσε κίνηση γιατί έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Δεδομένου ότι διαφορετικά οργανικά μόρια έχουν διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία, η ταχύτητα που αποκτούν σε ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι διαφορετική. Αυτή η διαφορά στις ταχύτητες είναι η βάση για τη μέθοδο ηλεκτροφορητικού διαχωρισμού των απαραίτητων κλασμάτων από ένα διασκορπισμένο μέσο και καθαρισμού βιολογικών υλικών. Το σχήμα της πειραματικής εγκατάστασης που χτίστηκε με βάση αυτές τις αρχές φαίνεται στο σχ. 13.
Ρύζι. 13. Ηλεκτροφόρηση σε ελεύθερη ροή υγρού (1 - παροχή διαλύματος, 2 - επιλογή κλασμάτων). Ο διαχωρισμός των κλασμάτων πραγματοποιείται στην κατεύθυνση κάθετη προς τη ροή του διαλύματος μεταξύ των ηλεκτροδίων
Υπό επίγειες συνθήκες, η χρήση της ηλεκτροφόρησης για τον διαχωρισμό των συστατικών ενός υγρού αντιμετωπίζει αρκετές δυσκολίες. Πρώτον, υπάρχει μια μερική επικάλυψη κλασμάτων που προκαλείται από ελεύθερη μεταφορά, καθώς και θερμική μεταφορά, λόγω της εμφάνισης πρόσθετων πτώσεων θερμοκρασίας και πυκνότητας του διαλύματος λόγω της θέρμανσής του κατά τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Για το λόγο αυτό, η ποσότητα του ρεύματος που μπορεί να διέλθει μέσω του διαλύματος είναι πολύ περιορισμένη προκειμένου να αποφευχθεί η ανεπιθύμητη υπερθέρμανση του υγρού. Και αυτό σημαίνει ότι η παραγωγικότητα της εγκατάστασης για τον διαχωρισμό βιολογικών υλικών είναι σχετικά χαμηλή. Επιπλέον, λόγω της διαφοράς στις πυκνότητες της διεσπαρμένης φάσης και του μέσου διασποράς, υπό τη δράση της δύναμης του Αρχιμήδη, είναι δυνατός ο διαχωρισμός τους.
Σε διαστημικές συνθήκες, αυτές οι δυσκολίες μπορούν να ξεπεραστούν. Πρώτα απ 'όλα, αυτό αφορά τη δυνατότητα περιορισμού του ρόλου της μεταφοράς και, κατά συνέπεια, βελτίωσης του βαθμού καθαρισμού και αύξησης της παραγωγικότητας των εγκαταστάσεων. Ένα άλλο πιθανό πλεονέκτημα της ηλεκτροφορητικής μεθόδου υπό συνθήκες χωρίς βάρος σχετίζεται με το γεγονός ότι η πυκνότητα δεν επηρεάζει τον διαχωρισμό φάσεων. Υπό επίγειες συνθήκες, η πυκνότητα εξαρτάται από το ιξώδες, η τιμή του οποίου μπορεί να αλλάξει με την προσθήκη μεγάλου αριθμού μικρών μορίων ή μικρής ποσότητας μεγάλων μορίων στο διάλυμα. Στην έλλειψη βαρύτητας, αυτή η μέθοδος ελέγχου του ιξώδους ενός διαλύματος γίνεται ιδιαίτερα βολική λόγω της απουσίας της δύναμης του Αρχιμήδη. Ως αποτέλεσμα, καθίσταται δυνατός ο έλεγχος του ιξώδους του μέσου ως ανεξάρτητων παραμέτρων που δεν σχετίζονται με την πυκνότητα. Φυσικά, αυτή η πιθανότητα δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί στη Γη.
Με στόχο την άμεση επαλήθευση αυτών των συμπερασμάτων στις διαστημικές συνθήκες, Δυτικογερμανοί και Αμερικανοί επιστήμονες πραγματοποίησαν μια σειρά από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο σταθμό Skylab και κατά τη διάρκεια της κοινής πτήσης του διαστημικού σκάφους Soyuz και Apollo. Σε ένα πείραμα στο Skylab, δοκιμάστηκε μια συσκευή στην οποία μια αδιατάρακτη ροή ρευστού έρεε μεταξύ δύο πλακών στις οποίες εφαρμόστηκε ηλεκτρικό πεδίο. Τα σωματίδια εισήχθησαν στο διάλυμα στο ένα άκρο της συσκευής και απομακρύνθηκαν μέσω οπών που βρίσκονται στο άλλο άκρο της. Υπό επίγειες συνθήκες, λόγω των ρευμάτων μεταφοράς ανάμειξης, η απόσταση μεταξύ των πλακών δεν μπορούσε να γίνει μεγαλύτερη από 1–2 mm. Σε συνθήκες χώρου, ήταν δυνατή η αύξηση του στα 5 - 10 mm. Αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαίωσε τη δυνατότητα αύξησης της απόδοσης της συσκευής και βελτίωσης της ανάλυσής της.
Στο πείραμα, μια συσκευή παρόμοιου τύπου χρησιμοποιήθηκε για τον διαχωρισμό των κυττάρων του αίματος και τη διερεύνηση των περιορισμών που επιβάλλονται από τη μεταφορά και την καθίζηση σωματιδίων. Μειώνοντας την επίδραση της μεταφοράς, ήταν δυνατό να αυξηθεί το βάθος του θαλάμου και, ως αποτέλεσμα, να αυξηθεί η παραγωγικότητα της εγκατάστασης κατά 6,5 φορές. Η ικανότητα ανάλυσης έχει αυξηθεί κατά 1,5 σε σύγκριση με τα πειράματα που έγιναν στη Γη.
Σε ένα άλλο πείραμα, η δυνατότητα λήψης καθαρών βιολογικών παρασκευασμάτων υπό συνθήκες κατασταλμένης μεταφοράς μελετήθηκε επίσης χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των κυττάρων του αίματος και των νεφρών, ειδικότερα, ο στόχος ήταν να απομονωθεί η ουροκενάση στην καθαρή της μορφή. Η ουροκενάση είναι το μόνο ένζυμο που παράγεται σε ανθρώπινο σώμα, το οποίο είναι σε θέση να διαλύσει τους σχηματισμένους θρόμβους αίματος. Εάν είναι δυνατόν να απομονωθεί το ένζυμο ουροκενάση στην καθαρή του μορφή και να διαπιστωθεί η διαδικασία παραγωγής του από τα κύτταρα των νεφρών, τότε θα είναι δυνατή η παραγωγή του σε επαρκείς ποσότητες στη Γη. Η ουροκενάση είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για την καταπολέμηση της θρομβοφλεβίτιδας και καρδιαγγειακών παθήσεων όπως το έμφραγμα, το εγκεφαλικό κ.λπ. Σύμφωνα με αναφορές, αυτό το πείραμα πραγματοποιήθηκε επίσης με επιτυχία. Συνολικά, ωστόσο, έχει γίνει πολύ λιγότερη δουλειά μέχρι στιγμής στον τομέα της ηλεκτροφόρησης από ό,τι σε άλλους τομείς της έρευνας της διαστημικής τεχνολογίας.
Πολύπλοκα τεχνολογικά πειράματα
Για μια ολοκληρωμένη μελέτη των χαρακτηριστικών που προκύπτουν κατά τη διάρκεια των φυσικών διεργασιών στην έλλειψη βαρύτητας, καθώς και για τον προσδιορισμό των σχετικών προοπτικών (για παραγωγή διαστήματος) συγκεκριμένων τεχνολογικών διαδικασιών, είναι απαραίτητο να προχωρήσουμε στη διεξαγωγή μαζικών πειραματικών μελετών σε διαστημόπλοια διάφοροι τύποι. Τωρινή κατάστασηΗ έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα της διαστημικής παραγωγής, που βρίσκεται σε εξέλιξη στη Σοβιετική Ένωση, χαρακτηρίζεται ακριβώς από τη μετάβαση σε αυτό το στάδιο.
Σοβιετικό πρόγραμμα διαστημική έρευναστον τομέα της τεχνολογίας και της παραγωγής προβλέπει τη διεξαγωγή τέτοιων πολύπλοκων πειραμάτων, και αυτό θα είναι ένα νέο στάδιο στην έρευνα και ανάπτυξη σοβιετικών επιστημόνων σε αυτόν τον τομέα και, με τη σειρά του, καθορίζεται από τις επιτυχίες που σημειώθηκαν στο προηγούμενο στάδιο. Συγκεκριμένα, ένα εκτεταμένο συγκρότημα τεχνολογικών πειραμάτων της πιο μαζικής φύσης διεξήχθη πολύ πρόσφατα κατά τις εκτοξεύσεις πυραύλων μεγάλου υψόμετρου και κατά τη διάρκεια της πτήσης του τροχιακού διαστημικού σταθμού Salyut-6 με κοσμοναύτες επί του σκάφους. Πραγματοποιήθηκαν ως μέρος ενός ενιαίου ερευνητικού προγράμματος, αυτά τα πειράματα αλληλοσυμπληρώθηκαν.
Στις 27 Δεκεμβρίου 1977, ένας πύραυλος μεγάλου ύψους εκτοξεύτηκε στη Σοβιετική Ένωση, ο οποίος κατέστησε δυνατή την ταυτόχρονη εκτέλεση πολλών δεκάδων διαφορετικών τεχνολογικών πειραμάτων. Για την εφαρμογή τους, αναπτύχθηκε ένα ειδικό σύνολο τεχνολογικών συσκευών - SKAT, στο οποίο χρησιμοποιήθηκε η θερμότητα των εξώθερμων χημικών αντιδράσεων για τη θέρμανση και την τήξη των υπό μελέτη ουσιών. Τα δείγματα που μελετήθηκαν τοποθετήθηκαν σε αμπούλες, οι οποίες τοποθετήθηκαν κατά μήκος του άξονα των κυλινδρικών θερμαντικών κυψελών.
Η διάρκεια της κατάστασης έλλειψης βαρύτητας σε αυτό το πείραμα ήταν περίπου 10 λεπτά. Επομένως, για να εξασφαλιστεί μια αρκετά γρήγορη στερεοποίηση των τηγμένων ουσιών πριν σταματήσει η κατάσταση της έλλειψης βαρύτητας (όταν ο πύραυλος εισέρχεται στα πυκνά στρώματα της ατμόσφαιρας), χρησιμοποιήθηκε ένα ειδικό σύστημα απελευθέρωσης θερμότητας. Εργάστηκε στην αρχή του "θερμικού σφουγγαριού", με βάση την αφαίρεση της εκλυόμενης θερμότητας σε ένα τεράστιο κλιπ αλουμινίου.
Η συνολική μάζα του σετ οργάνων SKAT (μαζί με το σύστημα απελευθέρωσης θερμότητας) ήταν 137 kg. Σε διαφορετικές αμπούλες, ανάλογα με την εργασία του πειράματος, ελήφθησαν διαφορετικές θερμοκρασίες. Το εύρος των μέγιστων θερμοκρασιών που πραγματοποιήθηκαν με τον εξοπλισμό SKAT ήταν 600–1700°C.
Το πρόγραμμα πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του κιτ SKAT περιελάμβανε τη μελέτη ενός ευρέος φάσματος ουσιών: σύνθετα υλικά, αφρώδες μέταλλα, ειδικά κράματα και ημιαγωγοί. Προκειμένου να αυξηθεί η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων, σχεδόν όλα τα πειράματα επαναλήφθηκαν.
Η διεξαγωγή τεχνολογικών πειραμάτων σύνθετης φύσης συμπεριλήφθηκε στο πρόγραμμα εργασίας που πραγματοποίησαν Σοβιετικοί κοσμοναύτες στο τροχιακό ερευνητικό συγκρότημα Salyut-6 - Soyuz-27.
11 Ιανουαρίου 1978 Οι κοσμοναύτες Yu. V. Romanenko και G. M. Grechko, οι οποίοι έφτασαν στο σταθμό Salyut-6 με το διαστημόπλοιο Soyuz-26, ενώθηκαν από το πλήρωμα του διαστημικού σκάφους Soyuz-27 - οι κοσμοναύτες V. A. Dzhanibekov και O. G Makarov, οι οποίοι στη συνέχεια επέστρεψαν στο Γη με τη βοήθεια του διαστημικού σκάφους Soyuz-26. Στο όχημα καθόδου του διαστημικού σκάφους Soyuz-26, υλικά με τα αποτελέσματα ερευνών και πειραμάτων παραδόθηκαν στη Γη κατά τη διάρκεια της πτήσης του τροχιακού σταθμού Salyut-6 για περισσότερους από τρεις μήνες.
Στις 22 Ιανουαρίου 1978, πραγματοποιήθηκε ελλιμενισμός με το επανδρωμένο ερευνητικό συγκρότημα "Salyut-6" - "Soyuz-27" του αυτόματου οχήματος μεταφοράς φορτίου "Progress-1". Για πρώτη φορά στην ιστορία της κοσμοναυτικής, μια επιχείρηση μεταφοράς πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα αυτόματο διαστημόπλοιο για την παράδοση εξοπλισμού, εξοπλισμού και υλικών σε έναν επανδρωμένο τροχιακό σταθμό για να διασφαλιστεί η ζωή του πληρώματος και η συμπεριφορά επιστημονική έρευνακαι πειράματα, καθώς και καύσιμα για τον ανεφοδιασμό των συστημάτων πρόωσης.
Με τη βοήθεια του Progress-1, παραδόθηκε εξοπλισμός στον σταθμό Salyut-6, ο οποίος σχεδιάστηκε επίσης για τη διεξαγωγή ενός κύκλου τεχνολογικών πειραμάτων. Συγκεκριμένα, περιλαμβάνει την εγκατάσταση Splav-01, η οποία αποτελείται από έναν ηλεκτρικό φούρνο θέρμανσης τύπου αμπούλας και έναν μικρό υπολογιστή σχεδιασμένο να ελέγχει αυτόματα το θερμικό καθεστώς. Η εσωτερική κοιλότητα του κλιβάνου έχει τρεις ζώνες: με υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες και μεταξύ τους - με διαφορά θερμοκρασίας (η μέγιστη θερμοκρασία είναι περίπου 1000 °C). Ο σχεδιασμός του κλιβάνου καθιστά δυνατή τη διεξαγωγή πειραμάτων ταυτόχρονα με τρεις αμπούλες γεμάτες με ελεγχόμενες ουσίες.
Ξεκινώντας την προετοιμασία των τεχνολογικών πειραμάτων, οι Yu. V. Romanenko και G. M. Grechko τοποθέτησαν τον κλίβανο στον θάλαμο κλειδαριάς στο διαμέρισμα εργασίας του σταθμού Salyut-6, μέσω του οποίου το πλήρωμα πετάει τα οικιακά απορρίμματα (ο θάλαμος έχει δύο καταπακτές - η μία οδηγεί μέσα στο σταθμό, το άλλο - στον περιβάλλοντα χώρο). Στη συνέχεια, οι κοσμοναύτες συνέδεσαν το airlock με τον πίνακα ελέγχου που ήταν εγκατεστημένος στο εσωτερικό του σταθμού μέσω ειδικών ερμητικών βυσμάτων. Μετά από αυτό, η εσωτερική καταπακτή του θαλάμου έκλεισε και η εξωτερική καταπακτή άνοιξε, έτσι ώστε ο κλίβανος να βρίσκεται στο κενό του χώρου. Τέτοιες συνθήκες λειτουργίας του κλιβάνου επιλέχθηκαν για να εξασφαλιστεί η απομάκρυνση της θερμότητας από αυτόν με ακτινοβολία απευθείας στον περιβάλλοντα εξωτερικό χώρο.
Έχοντας ολοκληρώσει την προετοιμασία του εξοπλισμού, στις 14 Φεβρουαρίου 1978, οι κοσμοναύτες Yu. V. Romanenko και G. M. Grechko ξεκίνησαν το πρώτο τεχνολογικό πείραμα. Ταυτόχρονα, ο σταθμός τέθηκε σε λειτουργία drift (στην οποία οι κινητήρες του συστήματος ελέγχου στάσης είναι απενεργοποιημένες) προκειμένου να μειωθεί η επίδραση μικρών επιταχύνσεων στην πορεία του πειράματος. Για τον ίδιο σκοπό, σημαντικό μέρος του πειράματος πραγματοποιήθηκε ενώ οι κοσμοναύτες κοιμόντουσαν. Οι αμπούλες που εγκαταστάθηκαν στον ηλεκτρικό κλίβανο στο πρώτο τεχνολογικό πείραμα περιείχαν ενώσεις χαλκού-ινδίου, αλουμινίου-μαγνήσιου και αντιμονιούχου ινδίου.
Στις 16 και 17 Φεβρουαρίου πραγματοποιήθηκε το δεύτερο τεχνολογικό πείραμα στο σταθμό Salyut-6, το οποίο διήρκεσε 31 ώρες και μελέτησε τις αντιδράσεις μεταξύ στερεού βολφραμίου και λιωμένου αλουμινίου, καθώς και τη διαδικασία εμποτισμού πορώδους μολυβδαινίου με υγρό γάλλιο. Οι ειδικοί προτείνουν ότι το τελευταίο υλικό μπορεί να έχει υπεραγώγιμες ιδιότητες.
Ένα νέο στάδιο στην ανάπτυξη του προγράμματος τεχνολογικών πειραμάτων στον τροχιακό σταθμό Salyut-6 συνδέθηκε με την επιτυχημένη πτήση του διαστημικού σκάφους Soyuz-28, με πιλότο από το πρώτο διεθνές πλήρωμα αποτελούμενο από τον πιλότο-κοσμοναύτη της ΕΣΣΔ A. A. Gubarev και έναν κοσμοναύτη -ερευνητής, πολίτης Τσεχοσλοβακίας V. Remeka.
Στις 3 Μαρτίου 1978, το διαστημόπλοιο Soyuz-28 προσδέθηκε στο τροχιακό σύμπλεγμα Salyut-6 - Soyuz-27. Οι κοσμοναύτες A. A. Gubarev και V. Remek παρέδωσαν μια κάψουλα φτιαγμένη στο Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης της Ακαδημίας Επιστημών της Τσεχοσλοβακίας, η οποία περιείχε δύο αμπούλες γεμάτες με δείγματα χλωριούχου αργύρου και μολύβδου και μονοσθενούς χλωριούχου χαλκού, στο τροχιακό ερευνητικό συγκρότημα. Οι ουσίες αυτές επιλέχθηκαν επειδή έχουν πολύτιμες οπτικοακουστικές ιδιότητες. Ο χλωριούχος χαλκός είναι ένα πολύ γνωστό ηλεκτρο-οπτικό υλικό και ο χλωριούχος άργυρος χρησιμοποιείται ευρέως στον εξοπλισμό ανίχνευσης υπερύθρων. Το κοινό πείραμα Σοβιετικής και Τσεχοσλοβακίας με αυτές τις ουσίες ονομάστηκε Morava.
Έχοντας ξεκινήσει αυτό το τεχνολογικό πείραμα στις 4 Μαρτίου 1978, οι κοσμοναύτες τοποθέτησαν και τις δύο αμπούλες με τις υπό μελέτη ουσίες στον ηλεκτρικό φούρνο της εγκατάστασης Splav-01, τοποθετώντας τις σε μια ζώνη με διαφορά θερμοκρασίας. Η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του κλιβάνου σε αυτό το πείραμα ήταν περίπου 500 °C και η συνολική διάρκεια της διαδικασίας ανακρυστάλλωσης των δειγμάτων μετά την τήξη τους έφτασε περίπου τις 40 ώρες δομές των ουσιών που μελετήθηκαν σε σύγκριση με δείγματα ελέγχου που ελήφθησαν στην ίδια εγκατάσταση υπό επίγειες συνθήκες.
Κατά τη διάρκεια του πειράματος, οι κοσμοναύτες έλεγχαν τη λειτουργία του υπολογιστή της εγκατάστασης Splav-01, η οποία εξασφάλιζε τη διατήρηση του καθορισμένου καθεστώτος θερμοκρασίας. Μετά την ολοκλήρωση του πειράματος Morava, η κάψουλα με τις υπό μελέτη ουσίες συσκευάστηκε και παραδόθηκε από τους A. A. Gubarev και V. Remek στη Γη.
Το πείραμα «Morava» σηματοδοτεί την έναρξη μιας νέας περιοχής κοινής διαστημικής έρευνας από τις σοσιαλιστικές χώρες που συμμετέχουν στο πρόγραμμα «Interkosmos». Τα τεχνολογικά πειράματα προστίθενται τώρα στην έρευνα στον τομέα της διαστημικής φυσικής, της μετεωρολογίας, της βιολογίας και της έρευνας για τους φυσικούς πόρους της Γης. Σε επόμενες πτήσεις διεθνών πληρωμάτων, θα συνεχιστούν τα τεχνολογικά πειράματα. Συγκεκριμένα, το πρόγραμμα Interkosmos προβλέπει εκτοξεύσεις το 1978 διαστημοπλοίων Soyuz, στα πληρώματα του οποίου θα περιλαμβάνονται εκπρόσωποι της πολωνικής Λαϊκή Δημοκρατίακαι τη Λαϊκή Δημοκρατία της Γερμανίας. Ως μέρος ενός ενιαίου προγράμματος επιστημονικής και τεχνολογικής έρευνας και πειραμάτων στο τροχιακό επιστημονικό συγκρότημα που βασίζεται στο σταθμό Salyut-6, κοσμοναύτες από τις σοσιαλιστικές χώρες θα πρέπει να εκτελέσουν εργασίες αυξανόμενου όγκου και πολυπλοκότητας.
Προοπτικές για την ανάπτυξη της διαστημικής παραγωγής
Τα πρώτα τεχνολογικά πειράματα στο διάστημα πραγματοποιήθηκαν μόλις πριν από λίγα χρόνια. Και παρόλο που έχει περάσει πολύ λίγος χρόνος από τότε, η έρευνα και τα διαστημικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στην ΕΣΣΔ και στο εξωτερικό κατέστησαν δυνατή την απόκτηση επιστημονικών και τεχνικών αποτελεσμάτων, βάσει των οποίων είναι δυνατόν να δοθεί μια προκαταρκτική αξιολόγηση των προοπτικών παραγωγή νέων υλικών στο διάστημα. Ποια είναι τα κύρια συμπεράσματα που μπορούν να εξαχθούν από την ανάλυση των αποτελεσμάτων των πειραμάτων που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα;
Γενικά, επιβεβαιώνονται γενικές ιδέες για τα χαρακτηριστικά των φυσικών διεργασιών στην έλλειψη βαρύτητας, αλλά ταυτόχρονα, η ανεπάρκεια πολλών θεωρητικά μοντέλακαι δείχνει την ανάγκη για ειδική έρευνα με στόχο την ανάπτυξη των θεωρητικών θεμελίων της διαστημικής παραγωγής. Επιβεβαιώθηκε πειραματικά η δυνατότητα απόκτησης στο διάστημα μονοκρυστάλλων ημιαγωγών, ειδικών κραμάτων, σύνθετων και άλλων υλικών με βελτιωμένα χαρακτηριστικά, καθώς και τέτοιων ουσιών που δεν μπορούν να ληφθούν στη Γη. Επιβεβαιώθηκε άμεσα η δυνατότητα βελτίωσης της ανάλυσης και αύξησης της παραγωγικότητας των εγκαταστάσεων ηλεκτροφορητικού διαχωρισμού βιολογικών παρασκευασμάτων.
Αυτά είναι τα πιο γενικά αποτελέσματα περίπου 60 πειραμάτων που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα σε διάφορα διαστημόπλοια στην ΕΣΣΔ και στο εξωτερικό. Και παρόλο που έχουν ήδη γίνει πολλά, πρέπει να γίνουν ακόμη περισσότερα προτού η διαστημική παραγωγή γίνει ένας ανεξάρτητος οικονομικά αποδοτικός κλάδος της εθνικής οικονομίας. Ας σημειώσουμε τις πιο σημαντικές εργασίες που πρέπει να επιλυθούν προκειμένου να διασφαλιστεί η επίτευξη αυτού του στόχου.
Πρώτον, είναι απαραίτητο να περάσουμε από τα πειράματα που πραγματοποιούνται σε σχετικά απλά όργανα σε εκτεταμένες πειραματικές μελέτες με χρήση εξειδικευμένων εγκαταστάσεων επί του σκάφους, οι οποίες θα λαμβάνουν πλήρως υπόψη τις ιδιαιτερότητες της εργασίας στο διάστημα και θα επιτρέπουν τη μέγιστη χρήση των πλεονεκτημάτων που συνδέονται με αυτά τα χαρακτηριστικά.. Το έργο της δημιουργίας τέτοιων εγκαταστάσεων είναι μία από τις προτεραιότητες. Δεύτερον, είναι απαραίτητο να διεξαχθούν εκτενείς μελέτες για την επίδραση των παραγόντων διαστημικής πτήσης - και πρώτα απ 'όλα, της έλλειψης βαρύτητας - στις κανονικότητες των φυσικοχημικών διεργασιών στην ύλη, προκειμένου να εντοπιστούν οι βέλτιστοι τρόποι τεχνολογικών διεργασιών για την απόκτηση νέων υλικών στο διαστημόπλοιο. Τρίτον, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η ανάπτυξη των θεωρητικών θεμελίων της διαστημικής παραγωγής, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης μεθόδων για αριθμητική προσομοίωση διεργασιών στην ύλη.
Ο απώτερος στόχος της έρευνας στον τομέα της διαστημικής παραγωγής είναι να μετατραπεί σε μια πολλά υποσχόμενη βιομηχανία που παρέχει επαρκώς υψηλή τεχνική και οικονομική απόδοση. Λόγω του υψηλού κόστους των διαστημικών πτήσεων, είναι κερδοφόρο να παράγονται στο διάστημα μόνο μοναδικά ακριβά προϊόντα, η ετήσια ανάγκη για τα οποία είναι σχετικά μικρή (κιλά ή δεκάδες κιλά επί του παρόντος, εκατοντάδες ή χιλιάδες κιλά μετά τη δημιουργία αποτελεσματικής επαναχρησιμοποιήσιμης μεταφοράς διαστημόπλοιο). Ως εκ τούτου, προκειμένου να καθοριστούν σωστά οι προοπτικές και οι τρόποι περαιτέρω ανάπτυξης των εργασιών στον τομέα της διαστημικής παραγωγής μεγάλο ρόλοπαίζουν τη μελέτη της τεχνικής και οικονομικής του αποτελεσματικότητας.
Εξετάζεται η δυνατότητα παραγωγής στο διάστημα κρυστάλλων γρανάτης που χρησιμοποιούνται σε στοιχεία μνήμης υπολογιστή προκειμένου να βελτιωθούν τα χαρακτηριστικά τους. Η ζήτηση για αυτούς τους κρυστάλλους τη δεκαετία του 1980, σύμφωνα με ξένα στοιχεία, θα χαρακτηριστεί από κόστος άνω του 1 δισεκατομμυρίου δολαρίων. Εάν ορισμένες από αυτές τις ανάγκες καλυφθούν από την παραγωγή διαστήματος, αυτό θα προσφέρει επίσης απτή εξοικονόμηση κόστους. Εάν είναι δυνατόν να οργανωθεί η παραγωγή ορισμένων υλικών στο διάστημα, για παράδειγμα, νέων υπεραγώγιμων κραμάτων με αυξημένη κρίσιμη θερμοκρασία ή οπτικού γυαλιού για λέιζερ υψηλής ισχύος, αυτό θα φέρει κυριολεκτικά επανάσταση σε ολόκληρους κλάδους της τεχνολογίας.
Ιδιαίτερη προσοχή αξίζει έρευνα με στόχο την οργάνωση της παραγωγής στο χώρο νέων ή βελτιωμένων βιοϊατρικών και φαρμακευτικών σκευασμάτων. Τα επιτυχημένα πειράματα για τη λήψη του ενζύμου ουροκενάση, που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της πτήσης του διαστημικού σκάφους Soyuz-Apollo, δείχνουν ότι μπορούν να αναμένονται νέα σημαντικά αποτελέσματα προς αυτή την κατεύθυνση. Η συνέχιση της εργασίας σε αυτόν τον σημαντικό τομέα μπορεί να συμβάλει απτή στην ανάπτυξη της υγειονομικής περίθαλψης και να έχει σημαντικό οικονομικό αποτέλεσμα. Σύμφωνα με ξένους ειδικούς, μέχρι το έτος 2000 θα παράγονται ετησίως στο διάστημα έως και 30 τόνοι βιολογικών σκευασμάτων (ένζυμα, εμβόλια κ.λπ.) συνολικού κόστους περίπου 17 δισεκατομμυρίων δολαρίων.
Η πρόοδος στην πυραυλική και διαστημική τεχνολογία έχει οπλίσει τον άνθρωπο με έναν νέο παράγοντα που μπορεί να χρησιμοποιήσει στις παραγωγικές του δραστηριότητες - μια μακρά κατάσταση έλλειψης βαρύτητας. Είναι δυνατόν να αμφιβάλλουμε ότι οι σύγχρονοί μας - επιστήμονες, μηχανικοί, σχεδιαστές, τεχνολόγοι - θα μπορέσουν να θέσουν αυτόν τον παράγοντα στην υπηρεσία της ανθρωπότητας; Η όλη εμπειρία της ιστορίας της επιστήμης και της τεχνολογίας δείχνει ότι αυτό θα συμβεί σίγουρα.
Ωστόσο, δεν πρέπει να σκεφτεί κανείς ότι ένα τέτοιο συμπέρασμα ανοίγει αυτόματα ασυννέφιαστες προοπτικές για τη μελλοντική ανάπτυξη της διαστημικής παραγωγής. Αντίθετα, συνεπάγεται την ανάγκη για πιο εμπεριστατωμένες μελέτες για το όλο πρόβλημα, που θα πραγματοποιηθούν στο πλαίσιο ενός ενιαίου προγράμματος ολοκληρωμένου χαρακτήρα. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι αυτή ακριβώς η προσέγγιση θα εξασφαλίσει την ταχεία ανάπτυξη μιας νέας περιοχής ανθρώπινης δραστηριότητας στο διάστημα - την παραγωγή νέων υλικών στο εξωτερικό διάστημα.
Βιβλιογραφία
Grishin S. D., Pimenov L. V.Το μονοπάτι προς τα εργοστάσια σε τροχιές. - Izvestia, 1976, 12 Αυγούστου.
Avduevskiy V. S., Grishin S. D., Pimenov L. V.Στα τροχιακά εργοστάσια του μέλλοντος. - Pravda, 1977, 20 Φεβρουαρίου.
Belyakov I. T., Borisov Yu. D.Τεχνολογία στο διάστημα. - «Μηχανική», 1974.
έλλειψη βαρύτητας. Φυσικά φαινόμενα και βιολογικές επιπτώσεις. Μ., Μιρ, 1964.
Khaikin S. E. Δυνάμεις αδράνειας και έλλειψης βαρύτητας. M., "Nauka", 1967 (()
12
Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα είναι μια ηλεκτρονική συσκευή, τα στοιχεία της οποίας είναι άρρηκτα συνδεδεμένα δομικά και ηλεκτρικά.
Τα πρώτα πειράματα για την απόκτηση υλικών στο διάστημα ξεκίνησαν πριν από 50 χρόνια. Τα τελευταία χρόνια, οι κύριες μέθοδοι και προσεγγίσεις σε αυτές τις μελέτες δεν έχουν αλλάξει πολύ, αλλά οι στόχοι της εργασίας προς αυτή την κατεύθυνση έχουν γίνει εντελώς διαφορετικοί: από την αναζήτηση νέων θερμοανθεκτικών μετάλλων, οι επιστήμονες έχουν μεταπηδήσει σε κρυστάλλους ημιαγωγών για ηλιακή ενέργεια ενέργεια. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον προετοιμάζονται για το επόμενο πείραμα αυτής της σειράς: στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS), θέλουν να καλλιεργήσουν κρυστάλλους τέλειας δομής για ηλιακούς συλλέκτες.
Οι κρύσταλλοι ημιαγωγών αποτελούν τη βάση όλων των ηλεκτρονικών και, φυσικά, υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την απόκτησή τους σε επίγειες συνθήκες. Δυστυχώς, όλα έχουν κοινά μειονεκτήματα: οι αναπτυσσόμενοι κρύσταλλοι συχνά αποδεικνύονται ανομοιογενείς, πολύ μικροί ή κατεστραμμένοι από ξένες ακαθαρσίες. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για αυτό, αλλά μεταξύ αυτών υπάρχει ένας από τους πιο γενικούς χαρακτήρας - η δύναμη της έλξης. Σε επίγειες συνθήκες, η βαρύτητα δημιουργεί το φαινόμενο της θερμοβαρυτικής μεταφοράς, ανάμιξης υγρού υπό την επίδραση της διαφοράς θερμοκρασίας στο βαρυτικό πεδίο. Υπό συνθήκες κοσμικής έλλειψης βαρύτητας, ο ρόλος αυτού του παράγοντα μειώνεται σημαντικά και καθίσταται δυνατή η απόκτηση κρυστάλλων ημιαγωγών καθαρότερης δομής και τέλειας σύνθεσης.
Τα πρώτα πειράματα για την καλλιέργεια υλικών στο διάστημα ξεκίνησαν λίγο μετά την πτήση. Γκαγκάριν, το 1961, και τα αποτελέσματά τους ήταν συχνά αμφιλεγόμενα. Έτσι, οι κρύσταλλοι Ge(Ca) και InSb(Te) που ελήφθησαν στα αμερικανικά πειράματα Skylab διακρίθηκαν από υψηλή δομική ομοιογένεια, ενώ οι κρύσταλλοι από το Apollo-Soyuz, αντίθετα, έχασαν από τους επίγειους ομολόγους τους. Αναφέρθηκαν αρκετοί λόγοι για τέτοιες αποτυχίες: κραδασμοί μηχανισμών, υπολειπόμενες μικροεπιταχύνσεις (η βαρυτική επιτάχυνση στο διαστημόπλοιο δεν είναι αυστηρά μηδενική, αντίθετα με τις δημοφιλείς παρερμηνείες), ορισμένα φαινόμενα μεταφοράς που είναι ανεπαίσθητα υπό τη γήινη βαρύτητα. Έτσι έγινε σαφές στους επιστήμονες ότι οι διαστημικές συνθήκες είναι πολύ πιο περίπλοκες από ό,τι φαίνονται με την πρώτη ματιά και πολλά πειράματα άρχισαν να συνοδεύονται από αριθμητικές προσομοιώσεις. Επιβεβαίωσαν ότι είναι δυνατό να αποκτηθούν κρύσταλλοι τέλειας δομής στο διάστημα, αλλά είναι εξαιρετικά δύσκολο.
Επομένως, το επόμενο βήμα στη μελέτη των δυνατοτήτων δημιουργίας ιδανικών κρυστάλλων ήταν η μέθοδος της φυσικής μοντελοποίησης. Οι κρύσταλλοι ημιαγωγών λαμβάνονται συχνά με κατευθυντική κρυστάλλωση. Σε γενικές γραμμές, ένα χωνευτήριο με θερμαινόμενο τήγμα της επιθυμητής σύνθεσης εισάγεται σταδιακά σε μια περιοχή με χαμηλή θερμοκρασία, όπου αρχίζουν να αναπτύσσονται κρύσταλλοι. Για να αποδυναμώσουν το επίγειο φαινόμενο της θερμοβαρύτητας σε τέτοιες συνθήκες, οι επιστήμονες πρότειναν να μην μετακινηθεί το ίδιο το τήγμα, αλλά να δημιουργηθεί ένα κινούμενο πεδίο θερμοκρασίας με μικρές ακτινικές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας. Αυτή η προσέγγιση κατέστησε δυνατή την προσομοίωση των διαστημικών συνθηκών για την ανάπτυξη των κρυστάλλων και τον προγραμματισμό πειραμάτων εκ των προτέρων, εξοικονομώντας χρόνο και υλικό. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά πειράματα αυτού του είδους πραγματοποιήθηκε από τους ίδιους τους συγγραφείς του άρθρου ανασκόπησης. Οι κρύσταλλοι ημιαγωγών GaSb(Te) ανακρυσταλλώθηκαν υπό επίγειες συνθήκες και στο διαστημόπλοιο Foton-M3. Και στις δύο περιπτώσεις, ελήφθησαν ομοιογενείς κρύσταλλοι υψηλής καθαρότητας, στους οποίους παρατηρήθηκαν ορισμένες περιοδικές εξαρτήσεις των φυσικών ιδιοτήτων από τη δομή. Σε αυτή την περίπτωση, η περίοδος εξάρτησης για τα διαστημικά δείγματα ήταν 90 λεπτά (που συμπίπτει με την περίοδο περιστροφής του δορυφόρου) και για τα επίγεια δείγματα ήταν 5–20 λεπτά.
Το επόμενο πείραμα για την απόκτηση κρυστάλλων ημιαγωγών στο διάστημα σχεδιάζεται να πραγματοποιηθεί το 2013. Στο ISS, οι ερευνητές θέλουν να αναπτύξουν κρυστάλλους τέλειας δομής για ηλιακούς συλλέκτες - έτσι οι ήδη δοκιμασμένες μέθοδοι βρίσκουν νέες πρακτικές εφαρμογές. Ταυτόχρονα, τα αποτελέσματα παρόμοιων, αρκετών εξωτικών πειραμάτων βοηθούν στη βελτίωση των τεχνολογιών εδάφους.
Τα αποτελέσματα της θεωρητικής και πειραματικής εργασίας για την ανάπτυξη κρυστάλλων ημιαγωγών στο διάστημα περιγράφονται λεπτομερώς σε άρθρο ανασκόπησης Ρώσων φυσικών από το FTI. A. F. Ioffe της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών και του Ερευνητικού Κέντρου "Space Materials Science". Η δημοσίευση βρίσκεται στις σελίδες του περιοδικού "Physics of Solid State" . Το υλικό για την ανασκόπηση ήταν τόσο πολυάριθμα ερευνητικά αποτελέσματα των ίδιων των συγγραφέων όσο και τα πιο εντυπωσιακά έργα ξένων συναδέλφων τους.
© I. Zh. Bezbakh, V. I. Strelov, and B. G. Zakharov
© Κρατικό Μουσείο Ιστορίας Κοσμοναυτικής. Κ.Ε. Tsiolkovsky, Kaluga
Ενότητα "K.E. Tsiolkovsky και προβλήματα της διαστημικής παραγωγής"
2004
Ένας από τους σημαντικούς τομείς τόσο της επίγειας όσο και της διαστημικής βιοτεχνολογίας είναι η απόκτηση κρυστάλλων βιομακρομορίων προκειμένου να προσδιοριστεί η χωρική τους δομή με κρυσταλλογραφικές μεθόδους και να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω οι πληροφορίες που λαμβάνονται για βιολογικούς, ιατρικούς και βιομηχανικούς σκοπούς.
Τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν ληφθεί αποτελέσματα σε εκατοντάδες μακρομόρια και χιλιάδες κρυστάλλους τους, οι τεχνικές κρυστάλλωσης έχουν βελτιωθεί σημαντικά, η επιστήμη της ανάπτυξης κρυστάλλων βιοϋλικών από την εμπειρική γίνεται όλο και πιο ακριβής. Ωστόσο, η σταθερή παραγωγή βιοκρυστάλλων μεγέθους και ομοιομορφίας κατάλληλου για έρευνα εξακολουθεί να αποτελεί πρόβλημα σε όλη αυτή τη διαδικασία. Μέχρι σήμερα, περίπου το 35% των κρυστάλλων πρωτεΐνης που καλλιεργούνται στο εμπόριο υπό συνθήκες διαστήματος έχουν αποδειχθεί ότι είναι υψηλότερης δομικής ποιότητας από εκείνους που λαμβάνονται υπό παρόμοιες συνθήκες στη Γη. Σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, ήταν δυνατό να ληφθούν βιοκρυστάλλοι που είναι ανώτεροι σε όγκο και ανάλυση από οποιονδήποτε από τους επίγειους ομολόγους τους. Ωστόσο, το υπόλοιπο 65% των κρυστάλλων, σε αντίθεση με τις προβλέψεις, αποδείχθηκε ότι ήταν χειρότερης ποιότητας από τους επίγειους ομολόγους τους.
Από αυτή την άποψη, είναι σημαντικό να καθοριστεί ποιοι παράγοντες είναι καθοριστικοί όσον αφορά την ποιότητα των λαμβανόμενων βιοκρυστάλλων. Λόγω των ασθενών δυνάμεων σύνδεσης μεταξύ των μορίων στους βιοκρυστάλλους, η επίδραση τόσο των εξωτερικών συνθηκών όσο και των εσωτερικών παραγόντων στη διαδικασία κρυστάλλωσης μπορεί να είναι καθοριστική. Συνήθως θεωρείται ότι είναι απαραίτητη η μετάβαση σε συνθήκες καθαρής διάχυσης. Αυτό είναι πλήρως εφικτό κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων στην έλλειψη βαρύτητας.
Το κύριο αρνητικό σημείο που επηρεάζει τη διαδικασία κρυστάλλωσης των βιοϋλικών στη Γη είναι το εξής: σε επίγειες συνθήκες, εκτός από τη μεταφορά μάζας διάχυσης, είναι χαρακτηριστική η εμφάνιση συναγωγικών ροών στο διάλυμα, οι οποίες, αν είναι μεγάλες, μπορεί να έχουν εξαιρετικά αρνητικό επίδραση στις διαδικασίες ανάπτυξης και στην ποιότητα των κρυστάλλων που προκύπτουν. Μπορεί επίσης να παρατηρηθεί κρυσταλλική κατακρήμνιση, η οποία διαταράσσει τη συμμετρία της παροχής διαλυμένου βιοϋλικού σε αυτά και επηρεάζει το σχήμα τους. Ταυτόχρονα, οι προσπάθειες να πραγματοποιηθεί κρυστάλλωση του βιοϋλικού με διάφορους τρόπους λόγω του μηχανισμού αποκλειστικά διάχυσης οδηγεί σε σημαντική αύξηση του χρόνου που απαιτείται για το πείραμα και μείωση της σταθερότητας των πειραματικών συνθηκών.
Σε διαστημικές συνθήκες, αυτές οι ελλείψεις μπορούν να εξαλειφθούν. Ωστόσο, τα δονητικά φαινόμενα συνήθως αρχίζουν να έχουν την επίδρασή τους, ιδιαίτερα σημαντικά στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Ταυτόχρονα, σημαντικοί είναι οι τρόποι επιρροής τους και οι μηχανισμοί αποζημίωσής τους.
Περαιτέρω μελέτη της διαδικασίας κρυστάλλωσης βιοϋλικών για την καλύτερη κατανόηση της, βελτίωση μεθόδων και εξοπλισμού κρυστάλλωσης, μείωση της επίδρασης των εξωτερικών συνθηκών στη διαδικασία κ.λπ. θα επιτρέψει τη διεξαγωγή διαστημικών πειραμάτων με την απόκτηση τέλειων βιοκρυστάλλων.
Εάν εσείς ο ίδιος είστε επιστήμονας ή απλώς ένας περίεργος άνθρωπος και παρακολουθείτε ή διαβάζετε συχνά τελευταία νέαστην επιστήμη ή την τεχνολογία. Είναι για εσάς που δημιουργήσαμε μια τέτοια ενότητα, η οποία καλύπτει τα τελευταία παγκόσμια νέα στον τομέα του νέου επιστημονικές ανακαλύψεις, επιτεύγματα, καθώς και στον τομέα της τεχνολογίας. Μόνο τα τελευταία γεγονότα και μόνο αξιόπιστες πηγές.
Στην προοδευτική εποχή μας, η επιστήμη κινείται με γρήγορους ρυθμούς, επομένως δεν είναι πάντα δυνατό να συμβαδίσουμε με αυτούς. Κάποια παλιά δόγματα καταρρέουν, κάποια νέα προβάλλονται. Η ανθρωπότητα δεν μένει ακίνητη και δεν πρέπει να μείνει ακίνητη, και η μηχανή της ανθρωπότητας είναι οι επιστήμονες, οι επιστήμονες. Και ανά πάσα στιγμή μπορεί να συμβεί μια ανακάλυψη που δεν μπορεί μόνο να εκπλήξει το μυαλό ολόκληρου του πληθυσμού την υδρόγειοαλλά και να αλλάξουν ριζικά τη ζωή μας.
Ένας ιδιαίτερος ρόλος στην επιστήμη αποδίδεται στην ιατρική, καθώς ένα άτομο, δυστυχώς, δεν είναι αθάνατο, εύθραυστο και πολύ ευάλωτο σε κάθε είδους ασθένειες. Πολλοί άνθρωποι γνωρίζουν ότι στο Μεσαίωνα οι άνθρωποι ζούσαν κατά μέσο όρο 30 χρόνια και τώρα 60-80 χρόνια. Δηλαδή, τουλάχιστον διπλασίασε το προσδόκιμο ζωής. Αυτό επηρεάστηκε, φυσικά, από έναν συνδυασμό παραγόντων, αλλά ήταν η ιατρική που έπαιξε μεγάλο ρόλο. Και, σίγουρα, 60-80 χρόνια για έναν άνθρωπο δεν είναι το όριο της μέσης ζωής. Είναι πιθανό ότι κάποτε οι άνθρωποι θα περάσουν τα 100 χρόνια. Επιστήμονες από όλο τον κόσμο παλεύουν για αυτό.
Στον τομέα των άλλων επιστημών, οι εξελίξεις βρίσκονται συνεχώς σε εξέλιξη. Κάθε χρόνο, επιστήμονες από όλο τον κόσμο κάνουν μικρές ανακαλύψεις, προχωρώντας σιγά σιγά την ανθρωπότητα μπροστά και βελτιώνοντας τη ζωή μας. Μέρη ανέγγιχτα από τον άνθρωπο εξερευνούνται, πρώτα από όλα, φυσικά, στον πλανήτη μας. Ωστόσο, οι εργασίες γίνονται συνεχώς στο χώρο.
Μεταξύ της τεχνολογίας, η ρομποτική είναι ιδιαίτερα βιαστική προς τα εμπρός. Δημιουργείται ένα ιδανικό ευφυές ρομπότ. Μια φορά κι έναν καιρό, τα ρομπότ ήταν στοιχείο φαντασίας και τίποτα παραπάνω. Αλλά ήδη αυτή τη στιγμή, ορισμένες εταιρείες έχουν πραγματικά ρομπότ στο προσωπικό τους, τα οποία εκτελούν διάφορες λειτουργίες και βοηθούν στη βελτιστοποίηση της εργασίας, στην εξοικονόμηση πόρων και στην εκτέλεση επικίνδυνων δραστηριοτήτων για ένα άτομο.
Θα ήθελα επίσης να δώσω ιδιαίτερη προσοχή στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, που απασχολούσαν πριν από 50 χρόνια μεγάλο ποσόΟι θέσεις ήταν αργές και απαιτούσαν μια ολόκληρη ομάδα υπαλλήλων να φύγει. Και τώρα ένα τέτοιο μηχάνημα, σχεδόν σε κάθε σπίτι, ονομάζεται ήδη πιο απλά και εν συντομία - υπολογιστής. Τώρα δεν είναι μόνο συμπαγή, αλλά και πολλές φορές πιο γρήγορα από τους προκατόχους τους, και ο καθένας μπορεί να το καταλάβει. Με την έλευση του υπολογιστή, η ανθρωπότητα άνοιξε μια νέα εποχή, την οποία πολλοί αποκαλούν «τεχνολογική» ή «πληροφοριακή».
Θυμηθείτε τον υπολογιστή, μην ξεχνάτε τη δημιουργία του Διαδικτύου. Έδωσε επίσης ένα τεράστιο αποτέλεσμα για την ανθρωπότητα. Αυτή είναι μια ανεξάντλητη πηγή πληροφοριών, η οποία είναι πλέον διαθέσιμη σχεδόν σε όλους. Συνδέει ανθρώπους από διαφορετικές ηπείρους και μεταδίδει πληροφορίες με αστραπιαία ταχύτητα, ήταν αδύνατο να ονειρευτεί κανείς κάτι τέτοιο πριν από 100 χρόνια.
Σε αυτή την ενότητα, σίγουρα θα βρείτε κάτι ενδιαφέρον, συναρπαστικό και ενημερωτικό για τον εαυτό σας. Ίσως ακόμη και κάποια μέρα να είστε από τους πρώτους που θα μάθετε για μια ανακάλυψη που όχι μόνο θα αλλάξει τον κόσμο, αλλά θα κάνει το μυαλό σας ανάποδα.
Έχοντας ολοκληρώσει με επιτυχία την ερευνητική τους αποστολή την άνοιξη του 2013, ήρθε η σειρά του «Photon». Εξωτερικά, τα διαστημόπλοια είναι δίδυμα αδέρφια. Αλλά επάνω επιστημονικά καθήκονταδιαφέρω. Το "Photon-M" αριθμός 4 έχει σχεδιαστεί για τη διεξαγωγή πειραμάτων σε τροχιά στον τομέα της διαστημικής τεχνολογίας για την παραγωγή ημιαγωγών στη μικροβαρύτητα, της βιοτεχνολογίας για την απόκτηση νέων γνώσεων στη φυσική της έλλειψης βαρύτητας. Το «Photon» θα μπει σε τροχιά σε μια εβδομάδα.
ΣΤΟ Καθημερινή ζωήΔεν πιστεύουμε καν ότι το αλάτι, η ζάχαρη, τα μέταλλα, οι πολύτιμοι λίθοι είναι όλα κρύσταλλα. Σήμερα, καμία ηλεκτρονική συσκευή δεν μπορεί να κάνει χωρίς αυτά.
"Το πρώτο διαστημικό φυτό για την καλλιέργεια κρυστάλλων. Το 1976, στο σταθμό Salyut-5 αναπτύχθηκαν κρύσταλλοι αλουμινίου-καλίου. Δεν απαιτούνταν ειδικές συνθήκες για την ανάπτυξή τους, ούτε ειδικές θερμοκρασίες, ούτε πίεση, οι επιστήμονες έπρεπε να δουν πώς η απουσία Η βαρύτητα επηρεάζει το κρυσταλλικό πλέγμα και, φαίνεται, κάτι άλλο έχει μείνει εδώ από τότε», η Ksenia Zima εξετάζει το περιεχόμενο της διαστημικής εγκατάστασης για την καλλιέργεια κρυστάλλων.
Μελέτες για την ανάπτυξη κρυστάλλων σε τροχιά έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες αναπτύσσονται καλύτερα εκεί.
", ένα από τα καθήκοντα είναι να αποκτήσετε έναν πολύ καθαρό κρύσταλλο, να αποκτήσετε έναν ομοιογενή κρύσταλλο. Για τις πρωτεΐνες, η καταστολή της μεταφοράς είναι ένας ευνοϊκός παράγοντας. Στο διάστημα, η κίνηση του υγρού καταστέλλεται, επομένως αναπτύσσονται καλύτερα εκεί", εξηγεί. Alexei Voloshin, Αναπληρωτής Διευθυντής του Ινστιτούτου Κρυσταλλογραφίας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών.
Στο Μπαϊκονούρ ολοκληρώθηκε η εγκατάσταση επιστημονικού εξοπλισμού στο διαστημόπλοιο «Photon-M». Η έναρξη έρχεται σύντομα. Στο δορυφόρο υπάρχουν όργανα για δεκάδες πειράματα στην κρυσταλλογραφία, την επιστήμη των υλικών, τη βιολογία και τη μικροβιολογία. Και αυτό είναι μόνο ένα μέρος των οδηγιών. Με μια λέξη, το "Photon" είναι ένα σύμπλεγμα επιστημονικών ιδεών.
"Η μοναδικότητα είναι ότι τα προηγούμενα "Φωτόνια" δεν πέταξαν μαζί μας για περισσότερες από 20 ημέρες. Αυτή η πτήση έχει προγραμματιστεί για 60 ημέρες. Αυτή είναι η πρώτη. Δεύτερον, αυτό το διαστημόπλοιο έχει ένα σύστημα πρόωσης, μπορούμε να σηκώσουμε τη συσκευή σε Θα πετάξουμε σε ύψος 500 χιλιομέτρων», δήλωσε ο Valery Abrashkin, επικεφαλής του πυραύλου και του διαστημικού κέντρου TsSKB-Progress.
Όσο υψηλότερο τόσο το καλύτερο, λένε οι επιστήμονες. 500 χιλιόμετρα - κοντά στο διάστημα: η ατμόσφαιρα δεν επηρεάζει πλέον τόσο πολύ, πολύ ασθενή βαρύτητα, που σημαίνει ότι η καθαρότητα των πειραμάτων θα είναι υψηλή.
"Πετάμε 22 τύπους εξοπλισμού σε αυτό το διαστημόπλοιο. Κάθε εξοπλισμός έχει πολλά πειράματα. Δηλαδή, προσπαθήσαμε να τακτοποιήσουμε το διαστημόπλοιο με τέτοιο τρόπο ώστε επιστήμονες από διάφορους τομείς έρευνας να μπορούν να οργανώσουν τα πειράματά τους και να λάβουν τις απαραίτητες επιστημονικές πληροφορίες." συνέχισε ο Valery Abrashkin.
Εξωτερικά, το "Photon" είναι παρόμοιο με την επιστημονική βιολογική συσκευή "Bion". Δίδυμοι αδερφοί. Μια στρογγυλή κάψουλα, η οποία είναι γεμάτη με επιστημονικά όργανα. Όταν επιστρέφει από το διάστημα, δεν καίγεται στην ατμόσφαιρα, όλα τα πειράματα επιστρέφουν στη Γη.
Σε αντίθεση με το "Photon", οι βιοδορυφόροι διαθέτουν σύστημα υποστήριξης της ζωής. Διατηρείται μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, πίεση, επίπεδο οξυγόνου, αφού οι κύριοι επιβάτες του Bion είναι ζωντανοί οργανισμοί. Τα «φωτόνια» δεν μεταφέρουν επιβάτες· οι επιστήμονες διεξάγουν τεχνολογικά πειράματα πάνω τους.
"Το ωφέλιμο φορτίο είναι μία από τις συσκευές κρυστάλλωσης πρωτεΐνης που θα πετάξει στο Foton. Η συσκευή βασίζεται στην αρχή της αντιδιάχυσης ενός υγρού", λέει ο Alexey Voloshin.
Είναι σε τροχιά που είναι δυνατό να αποκτήσετε μεγαλύτερη ακρίβεια πρωτεϊνικές δομές. Για τους φαρμακοποιούς, αυτό είναι μια μεγάλη βοήθεια στη δημιουργία νέων αποτελεσματικών φαρμάκων.
"Αν πρόκειται για πρωτεΐνη κάποιου επιβλαβούς βακτηρίου, τότε επιλέγεται μια ουσία που θα πρέπει να καταστέλλει τη δομή αυτής της πρωτεΐνης. Εάν η πρωτεΐνη εκτελεί μια χρήσιμη λειτουργία, επιλέγεται μια ουσία που θα πρέπει να ενισχύσει αυτή τη λειτουργία", λέει ο Alexei Voloshin, αναπληρωτής διευθυντής. του Ινστιτούτου Κρυσταλλογραφίας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, σχετικά με την ουσία των πειραμάτων.
Οι πραγματικοί οδοντίατροι εργάζονται σε άλλο εργαστήριο. Οι τρύπες του βασάλτη, στις οποίες βρίσκονται μικροοργανισμοί, είναι σφραγισμένες. Πλάκες με μικρόβια θα προσαρτηθούν στο εξωτερικό του πλοίου Photon.
Τα βακτήρια θα πρέπει να αντέξουν την κοσμική ακτινοβολία και κατά την επιστροφή - σε υψηλές θερμοκρασίες. Αν δεν πεθάνουν -οι υποστηρικτές της θεωρίας της πανσπερμίας- ότι οι μετεωρίτες έσπειραν ζωή στη Γη- θα έχουν ισχυρό επιχείρημα.
"Μετά τη φύτευση, αφαιρείται ο θερμαινόμενος βασάλτης και μετά κοιτάζουν να δουν αν επιβίωσαν οι μικροοργανισμοί. Έτσι δοκιμάζεται η θεωρία της πανσπερμίας", λέει ο Vladimir Sychev, αναπληρωτής διευθυντής του Ινστιτούτου Βιοϊατρικών Προβλημάτων της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. .
Τα μικρόβια επιλέχθηκαν ειδικά, τα οποία θα αντέξουν σε γιγάντιες θερμοκρασίες εκατοντάδων βαθμών. Είναι αλήθεια ότι ένα τέτοιο πείραμα δεν λειτούργησε για ξένους συναδέλφους - τα βακτήρια πέθαναν. Ωστόσο, το αρνητικό αποτέλεσμα ενέπνευσε μόνο τους μικροβιολόγους μας.
«Εμπνευσμένοι από την εμπειρία των Ευρωπαίων συναδέλφων μας, αποφασίσαμε να επεκτείνουμε το φάσμα των μικροοργανισμών. Μαζί με το Ινστιτούτο Μικροβιολογίας της Ρωσικής Ακαδημίας Ιατρικών Επιστημών, δημιουργήσαμε μια συλλογή από αυτούς τους πολιτισμούς και τις ενώσεις που θα μπορούσαν να μεταφερθούν στη Γη ως μέρος των μετεωριτών», δήλωσε ο Vyacheslav Ilyin, επικεφαλής του εργαστηρίου στο Ινστιτούτο Βιοϊατρικών Προβλημάτων της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών.
Για πρώτη φορά σε αυτό το "Photon" θα παραβιαστεί ο κύριος κανόνας: μην μεταφέρετε ζώα. Στο διαστημόπλοιο στην ειδικά εξοπλισμένη καμπίνα του.
«Αυτό το είδος ζει στο νησί του Μαυρίκιου, οι κύριοι λόγοι για τους οποίους επιλέχθηκε αυτό το είδος, το μικρό μέγεθος και οι περισσότεροι κύριος λόγοςότι αυτό το είδος μπορεί να κάνει χωρίς ζωντανή τροφή, κάτι που θα τους επιτρέψει να υπάρχουν τέλεια για 2 μήνες», τονίζει ο Rustam Berdiev, κορυφαίος ερευνητής στο Ινστιτούτο Βιοϊατρικών Προβλημάτων της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών.
Το κύριο χαρακτηριστικό αυτών των ζώων, που προσέλκυσε τους επιστήμονες, τα γκέκο μπορούν να προσκολληθούν σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Επομένως, στη μηδενική βαρύτητα, δεν πετούν, αλλά ζουν τη συνηθισμένη τους ζωή και νιώθουν υπέροχα. Λοιπόν, αν μόνο κατά την εκκίνηση θα πεταχτούν λίγο.
"Στερεώνονται στην επιφάνεια, υπάρχουν πολλά είδη, μερικά έχουν ειδικές βεντούζες ή μικρά άγκιστρα στα πόδια τους, κολλάνε σε οποιαδήποτε επιφάνεια, γι 'αυτούς η επιφάνεια είναι πιο σημαντική από τη βαρύτητα. Κολλάνε στην επιφάνεια των τοίχων Έτσι, για πρώτη φορά στην ιστορία, μπορέσαμε να απαλλαγούμε από το άγχος», δήλωσε ο Sergey Solovyov, επικεφαλής του εργαστηρίου στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Ανθρώπινης Μορφολογίας.
Πολυάριθμα πειράματα σε γκέκο έχουν προτείνει στους επιστήμονες πώς να αντιμετωπίσουν τις αρνητικές επιπτώσεις της έλλειψης βαρύτητας στους ανθρώπους. Από μια μακρά παραμονή σε τροχιά, οι αστροναύτες ξεπλένονται από το ασβέστιο από το σώμα. Αυτό δεν παρατηρήθηκε στα γκέκο.
"Αποδείχθηκε ότι το κλασικό μοντέλο είναι η αφαλάτωση του σκελετού, όπως αποδείχθηκε, τα γκέκο που μπορούν να προσκολληθούν στην επιφάνεια. Αυτό σώζει τα οστά τους από την αφαλάτωση. Τα γκέκο έχουν δείξει τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να αναπτυχθούμε περαιτέρω για να μειώσουμε η απομεταλλοποίηση του σκελετού των αστροναυτών», σημειώνει ο Σεργκέι Σολοβίοφ.
Η αποστολή οχημάτων στο διάστημα μόνο για χάρη της επιστήμης ξεκίνησε πριν από 40 χρόνια. Από τότε έχουν εκτοξευθεί δεκάδες δορυφόροι. Υπήρχαν μαϊμούδες, ποντίκια, ψάρια σε τροχιά. Και κάθε τέτοια πτήση είναι ένα ακόμη βήμα προς το αγαπημένο όνειρο της ανθρωπότητας - τις διαπλανητικές πτήσεις.
