INTRODUCERE
Astăzi, multe realizări ale astronauticii sunt utilizate pe scară largă în diferite ramuri ale economiei naționale. Utilizarea sateliților Pământului artificial pentru nevoile de comunicații, televiziune, meteorologie, cartografie, navigație, pentru studiu resurse naturale, în interesul geologiei, agriculturii, silviculturii, pescuitului, a intrat ferm în activitățile zilnice ale omenirii. Totuși, îmbunătățirea continuă a dotărilor spațiale deschide tot mai multe posibilități noi de aplicare a acestora în economia și știința națională. Una dintre domeniile promițătoare ale cosmonauticii este producerea de noi materiale în osmoză. O soluție practică la această problemă științifică și tehnică importantă a devenit posibilă în anul trecut grație succeselor obținute în crearea de stații orbitale pe termen lung cu echipaj și vehicule de transport menite să livreze astronauții către aceste stații și să se întoarcă pe Pământ împreună cu materialele consumabile necesare (film fotografic, combustibil, provizii alimentare etc.).
Cercetările în domeniul producției de materiale în spațiu se datorează dorinței de a utiliza în procesele tehnologice condiții neobișnuite create în timpul mișcării navelor spațiale pe orbite apropiate de Pământ: în primul rând, o stare lungă de imponderabilitate, precum și mediul înconjurător. vid profund, temperaturi ridicate și scăzute și radiații cosmice.
În condiții de imponderabilitate, o serie de procese fizice cunoscute se desfășoară diferit decât în condițiile pământești familiare nouă (sub influența gravitației). Astfel, în imponderabilitate nu există forță lui Arhimede, care în condiții terestre obișnuite determină stratificarea substanțelor lichide cu densități diferite, convecția naturală este slăbită, ceea ce în condiții terestre duce la amestecarea straturilor de lichide și gaze cu temperaturi diferite. Acest lucru deschide posibilități fundamentale atât pentru obținerea de materiale calitativ noi în greutate zero, cât și pentru îmbunătățirea proprietăților materialelor existente.
În imponderabilitate, este posibilă reținerea fără container a metalului lichid în spațiu, datorită căreia este posibil să se evite contaminarea acestuia din cauza pătrunderii impurităților din pereții recipientului și ca rezultat să se obțină substanțe ultrapure. În imponderabilitate, comportamentul lichidelor este determinat de forțe tensiune de suprafata, iar acest lucru trebuie luat în considerare chiar și atunci când se efectuează o astfel de rutină procese tehnologice cum ar fi sudarea, lipirea, topirea etc.
În URSS, primele experimente tehnologice au fost efectuate în 1969. La bordul navei spațiale cu echipaj Soyuz-6 în condiții de imponderabilitate prelungită, pilotul-cosmonautul URSS V.N. E. O. Paton de la Academia de Științe a RSS Ucrainei, a elaborat diverse metode de sudare a metalelor. S-a confirmat posibilitatea practică de a efectua diverse operații de sudare în condiții de spațiu. Experimentele tehnologice au fost efectuate în 1975 în timpul zborului stației orbitale Salyut-4, precum și în timpul zborului comun al navei spațiale Soyuz și Apollo. Unele experimente tehnologice au fost efectuate pe rachete de mare altitudine lansate pe verticală în timpul zborului lor pasiv (cu motoare dezactivate) în straturile superioare ale atmosferei (în acest caz, starea de imponderabilitate este asigurată pentru o perioadă scurtă de timp - aproximativ zece minute).
Un nou pas spre crearea fundamentelor științifice ale producției spațiale a fost făcut în timpul zborului stației științifice orbitale Salyut-5, când pilotii-cosmonauții URSS B.V. Voltov, V.M. Zholobov, V.V. Gorbato și Yu.N. Glazkov au efectuat un ciclu de experimente tehnologice folosind un set de instrumente „Cristal”, „Flow”, „Sferă”, „Difuzie” și „Reacție”.
Cercetările în domeniul tehnologiei spațiale se desfășoară și în Statele Unite și în alte țări. Pe nava spațială Apollo 14, -16, -17, la stația orbitală Skylab, au fost efectuate diverse experimente tehnologice, în timpul lansării rachetelor la mare altitudine Black Brant.
Această broșură oferă caracteristici generale stadiul actual al cercetării în domeniul tehnologiei spațiale și al producției spațiale. Vorbește despre domenii promițătoare ale producției spațiale, cum ar fi obținerea de metale, materiale semiconductoare, sticlă optică, ceramică, preparate biomedicale etc.
Condiții fizice la bordul navei spațiale
În timpul zborului navelor spațiale pe orbite apropiate de Pământ, la bord apar condiții pe care o persoană nu le întâlnește de obicei pe Pământ. Prima dintre acestea este imponderabilitate prelungită.
După cum știți, greutatea unui corp este forța cu care acesta acționează asupra unui suport. Dacă atât corpul, cât și suportul se mișcă liber sub acțiunea gravitației cu aceeași accelerație, adică cad liber, atunci greutatea corpului dispare. Această proprietate a corpurilor în cădere liberă a fost stabilită de Galileo. El a scris: „Simțim o sarcină pe umerii noștri atunci când încercăm să prevenim căderea ei liberă. Dar dacă începem să coborâm cu aceeași viteză ca și sarcina care stă pe spate, atunci cum ne poate apăsa și ne împovărează? Parcă am fi vrut să lovim cu sulița pe cineva care aleargă înaintea noastră cu aceeași viteză cu care se mișcă sulița.
Când o navă spațială se mișcă pe orbita Pământului, este într-o stare cădere liberă. Dispozitivul cade tot timpul, dar nu poate ajunge la suprafața Pământului, deoarece îi este dată o astfel de viteză, ceea ce îl face să se rotească la nesfârșit în jurul lui (Fig. 1). Aceasta este așa-numita prima viteză cosmică (7,8 km/s). Desigur, toate obiectele de la bordul aparatului își pierd din greutate, cu alte cuvinte, se instalează o stare de imponderabilitate.
Orez. 1. Apariția imponderabilității pe nava spatiala
Starea de imponderabilitate poate fi reprodusă și pe Pământ, dar numai pentru perioade scurte de timp. Pentru a face acest lucru, de exemplu, se folosesc turnuri de imponderabilitate - structuri înalte, în interiorul cărora un container de cercetare cade liber. Aceeași condiție apare și la bordul aeronavelor care zboară cu motoarele oprite pe traiectorii eliptice speciale. În turnuri, starea de imponderabilitate durează câteva secunde, în avioane - zeci de secunde. La bordul navei spațiale, această stare poate continua pentru o perioadă de timp arbitrară.
Această stare de imponderabilitate totală este o idealizare a condițiilor care există de fapt în timpul zborului în spațiu. De fapt, această stare este încălcată din cauza diferitelor accelerații mici care acționează asupra navei spațiale în timpul zborului orbital. În conformitate cu legea a 2-a a lui Newton, apariția unor astfel de accelerații înseamnă că forțele mici ale corpului încep să acționeze asupra tuturor obiectelor de pe navă și, în consecință, starea de imponderabilitate este încălcată.
Micile accelerații care acționează asupra navei spațiale pot fi împărțite în două grupe. Primul grup include accelerațiile asociate cu o schimbare a vitezei aparatului în sine. De exemplu, datorită rezistenței straturilor superioare ale atmosferei, atunci când aparatul se mișcă la o altitudine de aproximativ 200 km, experimentează o accelerație de ordinul a 10 -5 g 0 (g 0 este accelerația gravitației în apropierea Suprafața Pământului, egală cu 981 cm / s 2). Când motoarele sunt pornite pe navă spațială pentru a o transfera pe o nouă orbită, aceasta experimentează și efectul accelerațiilor.
Al doilea grup include accelerațiile asociate cu o schimbare a orientării navei spațiale în spațiu sau cu deplasări de masă la bord. Aceste accelerații apar în timpul funcționării motoarelor sistemului de control a atitudinii, în timpul mișcărilor astronauților etc. De obicei, mărimea accelerațiilor create de motoarele de atitudine este de 10–6 - 10–4 g 0 . Accelerațiile care apar din cauza diferitelor activități ale astronauților se situează în intervalul 10 -5 - 10 -3 g 0 .
Când vorbesc despre imponderabilitate, autorii unor articole populare despre tehnologia spațială folosesc termenii „microgravitație”, „lume fără gravitație” și chiar „tăcere gravitațională”. Deoarece în starea de imponderabilitate nu există greutate, dar există forțe gravitaționale, acești termeni ar trebui recunoscuți ca fiind eronați.
Să luăm acum în considerare și alte condiții care există la bordul navelor spațiale în timpul zborului lor în jurul Pământului. În primul rând, este un vid profund. Presiunea atmosferei superioare la o altitudine de 200 km este de aproximativ 10–6 mm Hg. Art., iar la o altitudine de 300 km - aproximativ 10 -8 mm Hg. Artă. Un astfel de vid poate fi obținut și pe Pământ. Cu toate acestea, spațiul deschis poate fi asemănat cu o pompă de vid de o capacitate enormă, capabilă să pompeze foarte rapid gazul din orice container al unei nave spațiale (pentru aceasta, este suficient să-l depresurizezi). În acest caz, totuși, este necesar să se țină cont de acțiunea unor factori care duc la o deteriorare a vidului în apropierea navei spațiale: scurgerea de gaze din părțile sale interne, distrugerea carcaselor sale sub influența radiației solare, poluarea spatiul inconjurator datorita functionarii motoarelor sistemelor de orientare si corectie.
O schemă tipică a procesului tehnologic de producere a oricărui material este aceea că energia este furnizată materiei prime inițiale, ceea ce asigură trecerea anumitor transformări de fază sau reacții chimice care conduc la produsul dorit. Cea mai naturală sursă de energie pentru prelucrarea materialelor în spațiu este Soarele. Pe orbita apropiată de Pământ, densitatea de energie a radiației solare este de aproximativ 1,4 kW/m 2 , iar 97% din această valoare se află în intervalul de lungimi de undă de la 3 × 10 3 la 2 × 10 4 ?. Cu toate acestea, utilizarea directă a energiei solare pentru încălzirea materialelor este asociată cu o serie de dificultăți. În primul rând, energia solară nu poate fi folosită pe o secțiune întunecată a traiectoriei navei spațiale. În al doilea rând, este necesar să se asigure o orientare constantă a receptorilor de radiații către Soare. Și acest lucru, la rândul său, complică funcționarea sistemului de control al atitudinii navei spațiale și poate duce la o creștere nedorită a accelerațiilor care încalcă starea de imponderabilitate.
În ceea ce privește alte condiții care pot fi implementate la bordul navelor spațiale (temperaturi scăzute, utilizarea unei componente dure a radiației solare etc.), utilizarea lor în interesul producției spațiale nu este în prezent avută în vedere.
Comportamentul materiei în imponderabilitate
Stările agregate și de fază ale materiei. Atunci când se iau în considerare caracteristicile comportării materiei în condiții de spațiu, sunt adesea folosite concepte precum starea agregată și de fază, fază și componente. Să definim aceste concepte.
Stările agregate ale materiei diferă prin natura mișcării termice a moleculelor sau atomilor. De obicei se vorbește despre trei stări de agregare - gazoasă, solidă și lichidă. În gaze, moleculele aproape nu sunt legate de forțe atractive și se mișcă liber, umplând întregul vas. Structura solidelor cristaline se caracterizează printr-o ordine ridicată - atomii sunt localizați la nodurile rețelei cristaline, lângă care efectuează doar vibrații termice. Drept urmare, corpurile cristaline au o formă strict limitată, iar atunci când încerci să o schimbi cumva, apar forțe elastice semnificative care contracarează o astfel de schimbare.
Alături de cristale, se mai cunoaște și un alt tip de solide - corpuri amorfe. Principala trăsătură a structurii interne a solidelor amorfe este lipsa ordinii complete: numai în aranjarea atomilor vecini se observă ordinea, care este înlocuită de o aranjare haotică a acestora unul față de celălalt la distanțe mai mari. Cel mai important exemplu de stare amorfă este sticla.
Aceeași proprietate - ordinea pe distanță scurtă în aranjarea atomilor vecini - o deține o substanță în stare lichidă de agregare. Din acest motiv, o modificare a volumului unui lichid nu provoacă apariția unor forțe elastice semnificative în acesta, iar în condiții normale, lichidul ia forma vasului în care se află.
Dacă substanța constă din mai multe componente ( elemente chimice sau compuși), atunci proprietățile sale depind de concentrația relativă a acestor componente, precum și de temperatură, presiune și alți parametri. Pentru a caracteriza produsul final rezultat dintr-o astfel de combinație de componente se folosește conceptul de fază. Dacă substanța luată în considerare constă din părți omogene alăturate între ele, fizice sau Proprietăți chimice care sunt diferite, atunci astfel de părți se numesc faze. De exemplu, un amestec de gheață și apă este un sistem în două faze, iar apa în care aerul este dizolvat este un sistem monofazat, deoarece în acest caz nu există o interfață între componente.
Starea de fază - un concept bazat pe reprezentarea structurală a termenului „fază”. Starea de fază a materiei este determinată numai de natură poziție relativă atomi sau molecule, nu lor mișcare relativă. Prezența ordinului cu rază lungă (ordine completă) corespunde stării de fază cristalină, ordinul cu rază scurtă - stării fazei amorfe, absența completă a ordinii - stării fazei gazoase.
Starea de fază nu coincide neapărat cu starea de agregare. De exemplu, o stare de fază amorfă corespunde unei stări lichide obișnuite de agregare și unei stări solide sticloase. Starea solidă de agregare corespunde a două faze - cristalină și amorfă (sticoasă).
Orez. 2. Diagramap-t echilibrul unui sistem monocomponent
Tranziția unei substanțe de la o stare de fază la alta se numește tranziție de fază sau transformare. Dacă două sau mai multe faze diferite ale unei substanțe la o anumită temperatură și presiune există simultan, în contact una cu cealaltă, atunci ele vorbesc de echilibru de fază. Pe fig. Ca exemplu, Figura 2 prezintă diagrama de echilibru de fază a unui sistem cu o singură componentă reprezentată în coordonatele presiunii ( R) - temperatura ( T). Aici este izobarul (adică o linie dreaptă de presiune constantă) Ah corespunde tranzițiilor directe solid - lichid (topire și solidificare) și lichid - gaz (evaporare și condensare), izobar s-s- solid de tranziție - gaz (sublimare), și izobarul in-in- coexistenţa tuturor celor trei faze în aşa-numitul punct triplu, la anumite valori Rși T.
Efectul imponderabilității asupra lichidului. Cum afectează gravitația comportamentul materiei în diferite stări de agregare? În solide, atomii și moleculele sunt aranjați într-o ordine strict definită, iar forța gravitațională nu poate avea un efect semnificativ asupra proceselor care au loc în această stare.
Această forță poate afecta procesele în gaze mai semnificativ. Se știe, de exemplu, că în condiții de încălzire neuniformă a diferitelor straturi de gaz din atmosferă, convecția liberă apare sub acțiunea gravitației, adică un schimb ordonat de gaz între aceste straturi. În condiții de lipsă de greutate, acest efect poate să nu apară.
Dar forța gravitațională are un efect deosebit de puternic asupra lichidului. În timpul trecerii la imponderabilitate în lichid, forța Arhimede dispare, acționând asupra componentelor de diferite densități și conducând la separarea acestora, natura fluxurilor de convecție se modifică, rolul relativ al interacțiunilor intermoleculare în lichid crește și devine posibil să se facă liber. reține-l în afara vasului (fenomenul de levitație). Din aceste motive, să luăm în considerare mai detaliat procesele care au loc într-un lichid.
Ca și în cazul unui gaz, moleculele dintr-un lichid nu își mențin o poziție constantă, ci se deplasează din loc în loc datorită energiei termice. Dacă în orice punct predomină particulele lichide de același tip, atunci din cauza ciocnirilor mai frecvente între ele, acestea se deplasează treptat într-o zonă în care concentrația lor este mai mică. Acest proces se numește difuzie. Datorită difuziei în timp t particulele sunt deplasate cu o distanță X = (2Dt) 1/2 , unde D- coeficientul de difuzie. Dacă considerăm particulele ca sfere cu o rază r, apoi D = W · (?? r) -unu . Aici W- energia termică a particulelor, ? este vâscozitatea unui lichid, care este foarte dependentă de temperatura acestuia. Când lichidul este răcit, vâscozitatea crește și, în consecință, procesele de difuzie încetinesc.
Dacă modificarea concentrației particulelor de același tip la distanță ? Xîn interiorul lichidului se află ? Cu, atunci numărul de particule trebuie să treacă printr-o unitate de suprafață în 1 s eu = - D? c/? X.
Un lichid poate conține mai multe componente în același timp. Dacă conținutul unuia dintre componente este scăzut, atunci această componentă este considerată o impuritate. Dacă în momentul inițial impuritatea este distribuită neuniform în lichid, atunci procesele de difuzie în lichid duc la stabilirea unei distribuții uniforme (omogenizare).
În unele cazuri, lichidul poate conține componente de diferite densități. Pe Pământ, sub acțiunea forței lui Arhimede, aceste componente sunt separate treptat (de exemplu, din lapte se formează smântâna și laptele degresat). În imponderabilitate, această separare nu există, iar după solidificarea unor astfel de lichide se pot obține substanțe cu proprietăți unice. Lichidul poate conține, de asemenea, faze care sunt nemiscibile între ele, cum ar fi kerosenul și apa. Pe Pământ, se formează granițe clare între ele. In imponderabilitate, prin amestecare, se poate obtine un amestec stabil format din mici picaturi de una sau cealalta faza. După întărire, amestecuri similare din diferite faze pot fi folosite pentru a obține omogenizare materiale compozite, spumă metalică etc.
Apariția interfețelor între diferite faze dintr-un lichid se datorează prezenței unei forțe de tensiune superficială, sau forță capilară, care apare din cauza interacțiunii dintre moleculele lichidului. Tensiunea de suprafață poate fi asemănată cu forța care readuce o sfoară la starea inițială atunci când un jucător încearcă să o tragă deoparte. Forța tensiunii superficiale este cea care face ca picăturile să cadă dintr-un robinet prost închis, și nu un firicel subțire de apă. Dar pe Pământ, aceste picături sunt mici: forța gravitației este mult mai mare decât forțele tensiunii superficiale și rupe prea mari din ele în bucăți. În imponderabilitate, nimic nu poate împiedica formarea de picături foarte mari, iar un corp lichid, lăsat singur, va căpăta o formă sferică.
De fapt, la bordul navei spațiale, din cauza diferitelor tipuri de accelerații mici, starea de imponderabilitate este încălcată. În cazul în care un r- raza sferei, a cărei formă o ia lichidul, atunci forţa capilară care acţionează asupra acesteia este aproximativ egală cu? r, Unde? - coeficientul tensiunii superficiale. Mărimea forțelor corpului de inerție care acționează asupra lichidului este egală cu? gr 3 unde? este densitatea lichidului, g- accelerație mică. Evident, efectele tensiunii superficiale vor juca un rol major când? (? gr 2) –1 > 1. Această condiție determină posibilitatea obținerii, într-o stare apropiată de imponderabilitate, a sferelor lichide cu rază. r. Astfel de sfere lichide de la bordul navelor spațiale pot fi într-o stare de plutire liberă, atunci când navele nu sunt necesare pentru a le ține. Dacă este o topitură lichidă, atunci când se solidifică pe Pământ, din pereții vasului vin impurități dăunătoare. În spațiu, poți să faci fără un vas și, prin urmare, să obții mai multe substanțe pure.
Transfer de căldură și masă în imponderabilitate. Trecerea la imponderabilitate are, de asemenea, un efect semnificativ asupra proceselor de transfer de căldură și masă în lichide și gaze. Căldura poate fi transferată prin conducție, convecție sau radiație sau prin orice combinație a acestor mecanisme. Conductivitatea termică este procesul de transfer de căldură dintr-o zonă cu o temperatură mai mare către o zonă în care temperatura este mai scăzută, prin difuzia de molecule medii între aceste zone. Din acest motiv, coeficientul de conductivitate termică este proporțional cu coeficientul de difuzie.
Transferul de căldură prin radiație este tipic în principal pentru corpurile solide și lichide și are loc la temperaturi suficient de ridicate. Procesele de transfer de căldură radiantă și conductivitatea termică nu depind de gravitație sau de forțele mici ale corpului care acționează la bordul navelor spațiale.
Un alt lucru este transferul de căldură convectiv. Convecția este transferul de căldură într-un mediu lichid sau gazos prin mișcarea macroscopică a substanței acestui mediu. Cel mai simplu exemplu de convecție a fost deja citat mai sus - convecția liberă (sau naturală) care rezultă din distribuția neuniformă a temperaturii într-un mediu supus acțiunii forțelor de masă (de exemplu, forțele gravitaționale sau inerțiale cauzate de micile accelerații la bordul navei spațiale). Toată lumea poate observa cu ușurință acest fenomen acasă în orice cazan, atunci când straturi de lichid având o temperatură mai mare și, ca urmare, o densitate mai mică vor pluti în sus și vor transporta căldură cu ele și, în locul lor, pe fundul fierbinte al cazanului. , straturi mai reci și mai dense.
Rolul relativ al transferului de căldură datorită convecției libere și conductivității termice este determinat de numărul Rayleigh:
Aici g este accelerația care acționează asupra sistemului, L este dimensiunea caracteristică a sistemului, ? - coeficientul de dilatare volumetrica, ? T- diferența de temperatură în mediu, ? - coeficient de conductivitate termică, ? - vâscozitatea mediului. De aici rezultă că în condiții care se apropie de imponderabilitate ( g -> 0), Ra-> 0, și, în consecință, rolul convecției care duce la amestecarea eficientă a mediului poate fi neglijat.
Această concluzie are un dublu sens. În primul rând, contribuția convecției la procesele de transfer de căldură scade, iar transferul de căldură se realizează printr-un proces de conducere a căldurii mai lent. În al doilea rând, excluderea curenților de convecție în mediu duce la faptul că rolul principal în transferul de masă va fi jucat nu de deplasările macroscopice ale materiei, ci de procesele de difuzie. Și aceasta, la rândul său, deschide posibilitatea obținerii unor substanțe în care distribuția impurităților va fi mult mai uniformă decât pe Pământ.
Pe lângă convecția liberă, există întreaga linie Alte efecte de convecție, dintre care o parte depinde de forțele corpului, în timp ce cealaltă nu. Este cunoscută și convecția forțată, care are loc sub influența unui factor extern (de exemplu, un agitator, o pompă etc.). În condiții de spațiu, acest tip de convecție este utilizat pentru a asigura rata necesară de îndepărtare a căldurii din unitățile de operare.
Ca exemplu de convecție care nu depinde de forțele corpului, să indicăm convecția termocapilară, care se exprimă prin faptul că undele pot apărea și se pot propaga la limita fazei lichide. Undele capilare sunt cauzate de scăderi de temperatură, din cauza prezenței cărora valoarea coeficientului de tensiune superficială nu este constantă de-a lungul suprafeței. Acest tip de flux de convecție evident nu depinde de valoarea lui g și poate duce la o deteriorare a omogenității materialelor obținute în condiții de spațiu. O modalitate de a compensa efectele dăunătoare ale acestui efect este reducerea diferențelor reale de temperatură de-a lungul interfeței.
Nave spațiale și echipamente speciale pentru producția spațială
Echipament pentru experimente spațiale. Vorbind despre problema producerii de noi materiale în spațiu, acestea înseamnă de obicei cinci domenii de cercetare și dezvoltare:
1. Metalurgia spațială.
2. Materiale semiconductoare.
3. Sticla si ceramica.
4. Preparate medico-biologice.
5. Studiul efectelor fizice în imponderabilitate.
Primele patru direcții vizează direct obținerea de materiale și produse noi sau îmbunătățite la bordul navelor spațiale (SC). Sarcina celei de-a cincea direcții este de a dezvolta știința comportamentului materiei în spațiu pentru a crea fundamente teoretice producție spațială.
Efectuarea cercetărilor în toate aceste domenii necesită dezvoltarea unor instalații speciale la bord. Prin urmare, înainte de a trece la analiza unor zone specifice, este recomandabil să luați în considerare modul în care stau lucrurile cu crearea de echipamente speciale pentru experimente spațiale. În același timp, în această secțiune, ne limităm la luarea în considerare a celor mai universale tipuri de instalații care pot fi utilizate pentru a rezolva o serie de probleme diferite. Este mai convenabil să vorbim despre acele instalații experimentale care au un scop mai restrâns sau sunt concepute pentru a efectua studii specifice, discutând ele însele aceste studii.
Pentru toate direcțiile practice, cu excepția obținerii preparatelor biologice, schema de bază a procesului de producție este următoarea. Materialul inițial (materia primă) este supus unui tratament termic la bordul navei spațiale, se topește sau se evaporă. Apoi se intareste. Întrucât acest proces se desfășoară în condiții de imponderabilitate, se poate aștepta o îmbunătățire a caracteristicilor produsului final, în conformitate cu analiza efectuată în capitolul anterior. Din aceste motive, principala opțiune pentru echipamentele de prelucrare pentru prelucrarea materialelor anorganice sunt instalațiile de încălzire de diferite tipuri.
Căldura reacțiilor exoterme poate fi utilizată pentru a încălzi materia primă. Un încălzitor tipic de acest tip constă dintr-un cartuş cilindric umplut cu un amestec de substanţe chimice şi o fiolă cu materialul de testat, care este plasată de-a lungul axei cartuşului. Un impuls electric de mică putere este de obicei folosit pentru a iniția o reacție chimică. Avantajul unor astfel de instalații este că în ele se pot obține temperaturi relativ ridicate în timpi relativ scurti (secunde sau zeci de secunde). Prin urmare, astfel de instalații de încălzire sunt utilizate în primul rând în cazurile în care durata stării de imponderabilitate este limitată.
Un alt tip de dispozitive de încălzire pentru prelucrarea materialelor sunt cuptoarele electrice de încălzire. Sunt cunoscute mai multe variante structural diferite ale unor astfel de cuptoare. Temperatura de 1200–2400 °C este menținută în zona de lucru a cuptorului izoterm. Pentru a reduce consumul de energie, această zonă este înconjurată de izolație multi-folia realizată din materiale speciale.
Pentru a crește cristale, este necesar ca cuptorul să aibă o zonă cu o diferență de temperatură. Pe fig. 3 prezintă una dintre schemele posibile ale instalaţiilor de acest tip. O fiolă care conține substanța de testat este trasă prin zonă cu o diferență de temperatură. În punctul în care se atinge punctul de topire, materia primă se topește, iar când materialul topit intră în regiunea temperaturilor mai scăzute, începe să se cristalizeze. Instalațiile existente de acest tip asigură o temperatură de 1050–1150 °C, în instalațiile proiectate se presupune că o ridică la 2000 °C.
Orez. Fig. 3. Schema de creștere a monocristalelor dintr-o topitură (1 - topitură; 2 - cristal de sămânță; 3 - mecanisme de tragere și rotație; 4 - tijă; 5 - creuzet; 6 - inductor pentru încălzirea topiturii)
Dezavantajul instalațiilor precum cea prezentată în Fig. 3 este că de pe pereții fiolei (creuzetul) pot pătrunde impurități în topitură, poluând materialul rezultat și degradându-i calitatea. Pe fig. 4 prezintă o diagramă a unui cuptor electric în care este utilizată metoda de topire a zonei, ceea ce face posibilă eliminarea parțială a acestui dezavantaj. În această instalație, substanța este, de asemenea, supusă topirii în zona cu diferență de temperatură, dar, în același timp, nu intră în contact direct cu pereții fiolei. Încălzirea poate fi efectuată folosind curenți de înaltă frecvență, surse de radiații infraroșii sau surse de lumină cu arc dotate cu oglinzi de focalizare etc. În acest din urmă caz, fiola este realizată dintr-un material transparent, precum cuarțul. Metoda de topire a zonei face posibilă, de asemenea, obținerea de temperaturi mai ridicate. Substanța topită nu atinge pereții creuzetului și este reținută de forțele de tensiune superficială. Prin urmare, dimensiunile maxime ale zonei sunt determinate din starea echilibrului forțelor de masă care acționează asupra topiturii și a forțelor de tensiune superficială. Forțele de masă de la bordul navei spațiale, din cauza accelerațiilor mici, sunt mult mai mici decât forța gravitației. Aceasta înseamnă că dimensiunile zonei topite în condiții de spațiu și, în consecință, dimensiunile cristalelor obținute în astfel de instalații pot fi mult mai mari decât pe Pământ.
Orez. 4. Metoda de topire a zonei (1 - zonă topită; 2 - inductor; 3 - peretele cuptorului; 4 - fiolă; 5 - tija substanței de testat; 6 - mecanism de tragere și rotire a tijei)
Pe fig. Figura 5 prezintă o schemă pentru creșterea cristalelor din faza de vapori. Fiola este plasată într-un cuptor cu o diferență de temperatură astfel încât materialul sursă să fie în zona fierbinte. Transferul de masă se efectuează în faza de vapori, iar la capătul rece al fiolei, se condensează pentru a forma cristale. Metodele în fază de vapori sunt utilizate, de exemplu, pentru a obține filme epitaxiale, care sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică.
Epitaxia este depunerea de filme monocristaline pe un substrat monocristal. Filmul epitaxial, așa cum ar fi, repetă structura substratului și este ceva ca un cristal bidimensional. Perfecțiunea sa este determinată, în special, de procesele de convecție în faza de vapori. Convecția duce la condiții necontrolate pe suprafața stratului în creștere și în cele din urmă la defecte ale rețelei. În spațiu, se poate conta pe limitarea rolului convecției și, în consecință, pe îmbunătățirea calității materialelor obținute.
Orez. 5. Schema de creștere a cristalelor din faza de vapori
Mai devreme s-a remarcat că reținerea lichidelor fără containere este posibilă în condiții de spațiu. Instalațiile în care se realizează acest proces se numesc levitatoare. Deoarece la bordul navei acționează accelerații de ordinul 10–5 - 10–4 g 0, trebuie luate măsuri în levitatoare pentru a menține lichidul care plutește liber în centrul camerei de lucru. În acest scop pot fi utilizate câmpuri ultrasunete, izolare aerodinamică sau un câmp electromagnetic alternant. Această din urmă metodă este potrivită numai pentru materiale conductoare și nu este potrivită, de exemplu, pentru lucrul cu sticla. Materialele pot fi încălzite într-un levitator folosind încălzitoare optice, curenți de înaltă frecvență, fascicule de electroni etc. Instalațiile de acest tip sunt, evident, foarte complexe, dar fac posibilă realizarea practic a unui avantaj atât de important al producției de materiale în spațiu precum prelucrarea lor fără containere. Levitatoarele de diferite tipuri sunt în prezent în curs de dezvoltare.
Experimente în domeniul tehnologiei spațiale. Primele experimente spațiale tehnologice au fost efectuate în 1969 în Uniunea Sovietică. În acest scop, la Institutul de Sudură Electrică care poartă numele E. O. Paton a dezvoltat o instalație specială „Volcano”, menită să studieze și să perfecționeze metodele de sudare și tăiere a metalelor la bordul navelor spațiale. Instalația Vulkan a fost amplasată la bordul navei spațiale Soyuz-6, iar pe 16 octombrie 1969, echipajul navei, cosmonauții sovietici G.S. Shonin și V.N. Kubasov, au testat-o cu succes.
În 1973–1974 s-au efectuat o serie de experimente tehnologice pe stația spațială americană „Skylab”. Pentru a realiza aceste experimente, în SUA a fost dezvoltată o instalație specială de prelucrare a materialelor. Această configurație a inclus o cameră cu vid, un tun cu electroni pentru topirea probelor, un cuptor electric de încălzire și alte echipamente. Cuptorul universal dezvoltat pentru stația Skylab a furnizat o temperatură maximă de 1050 °C și a permis funcționarea în diferite condiții de temperatură (temperatura ridicată constantă, scăderea temperaturii pe lungimea fiolei, răcire programată). Probele studiate au fost plasate în fiole, care au fost instalate în cuptor de către cosmonauți.
Următorul pas în dezvoltarea muncii în domeniul experimentelor tehnologice în spațiu a fost programul comun sovietic-american „Soyuz” - „Apollo” (ASTP). În timpul zborului acestor nave în iulie 1975, au fost efectuate o serie de noi experimente tehnologice folosind un cuptor electric modificat și instalații de cercetare a metodelor de obținere a preparatelor biomedicale pure.
Efectuarea de experimente tehnologice a fost inclusă și în programul de cercetare pe stația spațială sovietică Salyut-5. În acest scop, a fost dezvoltat un set special de instrumente - „Cristal”, „Difuzie”, „Flux”, „Sferă”, „Reacție” (Fig. 6), concepute pentru a studia o gamă largă de probleme din domeniul științelor. despre materia din spațiu, precum și pentru testarea metodelor de lipire în condiții de spațiu.
Experimentele tehnologice cu aceste dispozitive au fost efectuate cu succes în iulie - august 1976 de către cosmonauții-pilot URSS B. V. Voltov și V. M. Zholobov și în februarie 1977 de V. V. Gorbatko Yu. N. Glazkov.
Odată cu cercetările efectuate la bordul stațiilor și navelor spațiale cu pilot, atât în Uniunea Sovietică, cât și în Statele Unite, au fost efectuate automat experimente tehnologice în timpul lansărilor de rachete la mare altitudine.
O trăsătură distinctivă a acestor experimente este durata relativ limitată a stării de imponderabilitate (5-7 minute la rachetele americane, aproximativ 10 minute la cele sovietice). Prin urmare, pentru a realiza astfel de experimente în Uniunea Sovietică, au fost dezvoltate instalații în care căldura reacțiilor exoterme este folosită pentru a topi probele.
La rachetele americane de mare altitudine se folosește un cuptor electric cu fiole, care nu poate asigura o încălzire atât de rapidă a semifabricatelor și care, prin urmare, trebuie pornit în prealabil, înainte de lansarea rachetei.
Cercetările privind rachetele de mare altitudine permit experimentele spațiale să fie efectuate mai rapid și cu echipamente mai simple și, prin urmare, ar trebui să fie considerate ca un plus util pentru lucrul pe stațiile și navele spațiale.
Orez. Fig. 6. Dispozitive pentru efectuarea de experimente tehnologice la stația Salyut-5 (a - dispozitivul Crystal; b - dispozitivul de reacție)
Vehicule spațiale și module tehnologice. Perspectiva dezvoltării muncii în domeniul tehnologiei de prelucrare a materialelor în spațiu este aceea că de la cercetarea experimentală va exista o tranziție treptată la producția semi-industrială la bordul unei nave spațiale a unor materiale, iar apoi la producția la scară industrială. Potrivit estimărilor externe, se poate aștepta ca până în 1990 fluxul de marfă al produselor spațiale, precum și echipamentele necesare, să ajungă la câteva zeci de tone pe an.
Crearea în URSS a stației orbitale pe termen lung „Saliut” și a unui sistem economic de suport de transport cu ajutorul navei spațiale cu echipaj „Soyuz” și navei spațiale automate „Progress” deschide noi oportunități mari pentru efectuarea de experimente tehnologice, testarea echipamentul necesar, precum și analiza proceselor tehnologice în condiții de imponderabilitate prelungită.
Dezvoltarea și îmbunătățirea complexelor cu echipaj orbital concepute pentru a rezolva probleme de natură științifică și aplicată, după cum știți, este direcția principală în dezvoltarea cosmonauticii interne. Una dintre sarcinile principale este legată de dezvoltarea științelor comportamentului materiei în condiții de imponderabilitate și de satisfacerea nevoilor de producere a materialelor în spațiu.
În cadrul acestui program, în Uniunea Sovietică a fost efectuat cel mai lung zbor din istoria cosmonauticii a complexului de cercetare orbitală Salyut-6 - Soyuz, care a durat 96 de zile și a fost finalizat cu succes la 16 martie 1978. acest complex, pilot-cosmonauții URSS Yu V. Romanenko, G. M. Grechko, A. A. Gubarev și pilot-cosmonautul Cehoslovaciei V. Remek au efectuat noi experimente tehnologice importante.
În viitor, pe măsură ce fluxurile de marfă vor crește, mijloacele de alimentare a complexelor științifice orbitale vor fi îmbunătățite. Noile nave de marfă vor apărea să livreze echipamente, instrumente și semifabricate din diverse materiale către complexele orbitale. Produsele și materialele obținute în spațiu vor fi livrate în spațiu și returnate pe Pământ cu ajutorul unor nave spațiale reutilizabile. Complexele orbitale vor include module tehnologice specializate.
Unele operațiuni tehnologice în spațiu, cum ar fi obținerea de materiale de puritate ultra-înaltă, necesită asigurarea unui vid profund. În acest scop, în combinație cu DOS, se poate folosi așa-numitul ecran molecular, care, folosind o tijă specială, este plasat la o distanță de aproximativ 100 m de navă. Diametrul ecranului - 3 m.
Deoarece vitezele mișcării termice ale moleculelor de gaz rezidual sunt mai mici decât viteza mișcării înainte a navei spațiale împreună cu ecranul pe orbită (8 km/s), în spatele ecranului va apărea o zonă de rarefacție crescută. Presiunea gazului rezidual în această zonă va fi de aproximativ 10–13 - 10–14 mm Hg. Artă.
Dezvoltarea navelor spațiale de transport capabile să ofere transport rentabil, crearea de stații orbitale pe termen lung de tipul stațiilor spațiale sovietice Saliut deschide calea către construcția de fabrici operaționale în spațiu pentru producția de materiale pure.
Potrivit experților, astfel de fabrici spațiale vor începe să funcționeze în anii 1990.
Studiul fundamentelor fizice ale producției spațiale
Procese de transfer de căldură și masă. Elucidarea caracteristicilor proceselor de transfer de căldură și masă în condiții apropiate de imponderabilitate este necesară pentru organizarea optimă a producției de noi materiale în spațiu. Pentru a studia aceste caracteristici se efectuează atât studii teoretice, cât și experimentale.
Un astfel de experiment a fost efectuat pe stația spațială Salyut-5 de cosmonauții V. V. Gorbatko și Yu.
Aceste studii la stația Salyut-5 au fost efectuate folosind un dispozitiv special de difuzie - dispozitivul era un cuptor electric cilindric care conținea două fiole de cuarț în interior, fiecare dintre ele umplută parțial cu dibenzil și parțial cu tolan. Aceste substanțe organice au densități diferite și la temperatura camerei sunt în stare cristalină. Fiolele dintr-un cuptor electric cilindric au fost amplasate în așa fel încât o forță mică a corpului, care a apărut din cauza decelerației aerodinamice a stației, a fost direcționată de-a lungul axei lor.
După pornirea dispozitivului, ambele substanțe s-au topit, iar procesul de difuzie reciprocă a acestora prin interfața dintre topituri a continuat timp de trei zile. Temperatura de-a lungul lungimii fiolelor a fost menținută constantă. După oprirea dispozitivului, a avut loc răcirea și solidificarea aliajului, a cărui structură avea un caracter policristalin.
Pentru a compara rezultatele experimentului spațial cu teoria, s-a efectuat un calcul computerizat al procesului de transfer de masă pentru condițiile corespunzătoare experimentului cu dispozitivul de difuzie. Calculul a arătat că, deoarece temperatura a rămas constantă pe toată lungimea fiolei în timpul experimentului, nu ar trebui să existe convecție termică, iar convecția concentrației care apare la interfața dintre lichide a avut un efect vizibil asupra transferului de masă numai în stadiul inițial al experimentul. Cu alte cuvinte, conform calculelor efectuate, principala contribuție la transferul de masă în condițiile studiate ar fi trebuit să provină din procese pur de difuzie.
După ce experimentul a fost efectuat și astronauții s-au întors pe Pământ, fiolele livrate din spațiu au fost studiate cu atenție în laborator. Studiile privind distribuția substanței de-a lungul lungimii fiolei au făcut posibilă determinarea valorii coeficientului de difuzie. Pentru comparație, experimentele de control au fost efectuate pe Pământ cu aceleași fiole. S-a dovedit că valoarea coeficientului de difuzie determinat în condiții de spațiu pentru un aliaj de dibenzil cu tolan este apropiată de cunoștințele teoretice (aproximativ 9,5 10–6 cm/s 2) și depășește oarecum valoarea obținută în experimentele de control pe Pământ, dar această discrepanță este în cadrul erorii metodei. De asemenea, trebuie menționat că pe Pământ nu există nicio modalitate de a reproduce cu acuratețe natura acelor microaccelerări care au acționat asupra topirii în spațiu.
Un experiment similar în design a fost, de asemenea, organizat pe stația spațială Skylab. Spre deosebire de studiile efectuate la stația Salyut-5, oamenii de știință americani nu au studiat difuzarea reciprocă a două substanțe diferite, ci un caz mai simplu - procesul de autodifuziune. În acest scop, într-o tijă cilindrică de zinc a fost introdus un disc realizat din izotopul radioactiv de zinc Zn 65. Când s-a încălzit, tija s-a topit, de-a lungul ei a fost stabilită o diferență de temperatură, în urma căreia a început procesul de difuzie a izotopului radioactiv în materialul de bază (autodifuzie). Presupunând că în condiții de spațiu efectul convecției asupra transferului de masă poate fi neglijat și procesul de difuzie joacă acolo rolul principal, s-a calculat distribuția izotopului radioactiv pe lungimea tijei. Rezultatele calculului sunt în acord cu datele experimentului spațial (Fig. 7). În experimentele de control efectuate cu mostre similare pe Pământ, coeficientul efectiv de difuzie al zincului radioactiv datorat convecției s-a dovedit a fi de 50 de ori mai mare decât în condițiile spațiale.
Orez. Fig. 7. Distribuția zincului radioactiv de-a lungul probei (o și? - experimente pe Pământ pentru două poziții ale probei, linie continuă - calcul și experimente în spațiu)
Acest experiment, precum și experimentul cu dispozitivul „Difuzie”, au arătat că pentru condițiile studiate, influența convecției asupra transferului de masă în topitură poate fi neglijată și că procesul de transfer prin difuzie joacă rolul principal. Această concluzie confirmă posibilitatea obținerii în spațiu a unor materiale cristaline cu structură omogenă, care, în condiții terestre, este perturbată, în special, de curenții de convecție. Cu toate acestea, nu este întotdeauna posibil să se realizeze această posibilitate în practică și să se asigure producția de materiale cu o distribuție mai uniformă a impurităților în spațiu.
Să luăm ca exemplu experimentul „Furnalul Universal”, desfășurat în timpul zborului comun al navei spațiale „Soyuz” și „Apollo”. În cursul acestui experiment s-a studiat posibilitatea obținerii de monocristale omogene de germaniu care conțin impurități de siliciu (0,5% în greutate) și antimoniu (sutimi de procent). Proba cilindrică a fost încălzită la temperatura de topire, cu excepția capătului rece, care trebuia să fie folosit ca „sămânță” în timpul cristalizării. Proba a fost menținută la temperatura maximă timp de 1 oră, după care a fost răcită timp de 5 ore cu o viteză de 0,6 grade/min, iar apoi cuptorul a fost răcit necontrolat până la răcirea completă (Fig. 8).
Orez. 8. Cartuș pentru experimentul „Furn universal” (1 - bloc de încălzire din grafit; 2 - inserție termică din grafit; 3 - carcasă din oțel inoxidabil; 4 - izolație; 5 - mecanism de blocare; 6 - unitate de îndepărtare a căldurii; 7 - inserție termică din cupru)
O analiză a probelor livrate pe Pământ a arătat că, contrar așteptărilor, după retopire și solidificare în condiții apropiate de imponderabilitate, distribuția impurităților în secțiunea transversală a probei a devenit mai puțin uniformă. În acest caz, impuritatea mai ușoară (siliciu) s-a deplasat într-o direcție de-a lungul diametrului probei, în timp ce cea mai grea (antimoniu) s-a deplasat în direcția opusă. O astfel de redistribuire a impurităților din probă se poate datora faptului că tocmai de-a lungul diametrului fiolei au acționat mici accelerații în timpul experimentului, datorită funcționării motoarelor sistemului de orientare și stabilizare al navei. Cu toate acestea, mecanismul specific al proceselor care au condus la deteriorarea omogenității distribuției impurităților în acest experiment nu a fost încă stabilit fără ambiguitate.
Este posibil ca pentru gama de accelerații care au fost observate la bordul navei spațiale Apollo în timpul experimentului Universal Furnace, curenții de convecție să fi fost deosebit de intensi. Calculele proceselor de transfer de căldură și masă efectuate de oamenii de știință sovietici cu ajutorul computerelor pentru condițiile corespunzătoare acestui experiment au confirmat această posibilitate. În acest caz, redistribuirea impurităților în topitură și deteriorarea omogenității probei după recristalizarea acesteia în spațiu ar trebui să fie asociate tocmai cu curenții de convecție care au apărut în topitură. Dar există și alte explicații posibile pentru rezultatele experimentului „Furnalul universal”.
Experimentele luate în considerare au arătat că pentru organizarea corectă a proceselor de transfer de masă în spațiu este necesar să se asigure astfel de condiții când efectele de convecție pot fi neglijate. În caz contrar, în funcție de condițiile specifice, este posibilă atât o creștere, cât și o deteriorare a uniformității distribuției impurităților în materialele studiate.
Dacă în exemplele date a fost necesar să se analizeze posibila influență asupra proceselor de transfer de căldură și masă al convecției naturale, care depinde de mărimea accelerației mici care acționează asupra navei spațiale, atunci în alte cazuri, efectele de convecție care nu depind asupra accelerațiilor ar trebui luate în considerare. Să subliniem ca exemplu convecția termocapilară, care în unele cazuri poate fi și motivul deteriorării structurii materialului obținut în spațiu.
De exemplu, în zona de topire folosită pentru creșterea cristalelor, există o interfață între lichid și vaporii saturati deasupra acestuia. Temperatura se poate schimba de-a lungul acestei suprafețe și, deoarece tensiunea superficială depinde de aceasta, în aceste condiții poate apărea un flux de convecție. Când scăderea temperaturii începe să depășească o anumită valoare critică, în topitură apar curenți de convecție, care sunt de natură oscilatoare și conduc la un flux neuniform de impurități în zona de cristalizare. Ca urmare, impuritățile din interiorul cristalului vor fi, de asemenea, distribuite neomogen (fenomen de banding). Față de convecția liberă, a cărei intensitate depinde de nivelul de accelerație al navei spațiale, depășirea fluxurilor termocapilare necesită alte măsuri (limitarea mărimii scăderilor de temperatură etc.).
Studiile experimentale și teoretice de mai sus ale proceselor de transfer de materie în condiții apropiate de imponderabilitate au fost legate de topituri. Totuși, în aceste condiții, și pentru starea gazoasă a materiei, procesele de transfer pot avea propriile caracteristici. Să mai citam ca exemplu un experiment la stația Skylab, în care s-a studiat creșterea cristalelor semiconductoare - seleniura și telurura de germaniu - din faza gazoasă. Această metodă se bazează pe faptul că la capătul fierbinte al unei fiole sigilate, o substanță în fază gazoasă (iodură de germaniu) reacționează cu suprafața unui material sursă solid și apoi difuzează spre capătul rece al fiolei sub acțiune. a unei diferente de temperatura. Acolo, în zona mai rece, vaporii se condensează pe cristalul sămânță și se formează cristalele dorite. Era de așteptat ca viteza de transfer de masă a produsului în faza gazoasă să fie determinată prin procese pur de difuzie. În condiții terestre, această viteză crește semnificativ datorită convecției. Acest experiment a arătat că rata reală de transfer de masă în condiții de spațiu este mai mică decât cea observată pe Pământ, dar mai mare decât valoarea calculată într-o aproximare pur de difuzie.
Rezultate similare au fost obținute și într-un experiment efectuat în timpul zborului comun al navei spațiale Soyuz și Apollo. Această discrepanță în ratele de transfer de difuzie poate fi asociată cu caracteristicile reacțiilor chimice în stare gazoasă, care nu sunt luate în considerare în metodele de calcul existente.
Mecanica fluidelor. Considerând mecanica fluidului în gravitate zero ca una dintre secțiunile fundamentelor teoretice ale producției spațiale, este necesar să se studieze problemele tensiunii superficiale și umezirii, efectele capilare, stabilitatea formelor fluide și comportamentul incluziunilor conținute în acesta. - bule de gaz, particule solide etc. Pentru un studiu calitativ al acestor probleme este convenabil să se efectueze experimente la bordul navelor spațiale folosind apă și soluții apoase.
O serie de experimente demonstrative similare au fost efectuate, de exemplu, pe stația spațială americană Skylab. Comportamentul sferelor de apă care plutesc liber, vibrațiile acestora cauzate de împingerea unei seringi și prăbușirea sferelor în timpul rotației au fost studiate prin metoda filmării. Influența tensiunii superficiale asupra atenuării vibrațiilor unui lichid și asupra interacțiunii acestuia cu o suprafață solidă a fost studiată prin adăugarea unei soluții de săpun la lichid, ceea ce a dus la modificarea coeficientului de tensiune superficială.
O altă configurație experimentală, utilizată la stația Skylab pentru experimente demonstrative privind mecanica fluidelor, a făcut posibilă simularea comportamentului zonei plutitoare. În această instalație, între două tije care puteau fi depărtate și rotite independent una de cealaltă, a fost creată o punte de lichid cu coeficienți de tensiune superficială diferiți (datorită adăugării unei soluții de săpun în apă). Această configurație a fost utilizată pentru a studia stabilitatea zonei lichide în raport cu rotația și deplasarea tijelor cu o modificare a valorii coeficientului de tensiune superficială.
Următoarea sarcină a mecanicii fluidelor este studierea comportamentului gazului și a altor incluziuni. Importanța acestor studii a fost subliniată încă din 1969 de oamenii de știință sovietici care au efectuat primele experimente de sudare pe nava spațială Soyuz-6 și au remarcat apariția incluziunilor de gaz în suduri. Pe Pământ, bulele sunt îndepărtate din lichid sub acțiunea forței lui Arhimede, acest lucru nu se întâmplă în spațiu. În unele cazuri, astfel de incluziuni pot duce la o deteriorare a calității materialului. Pentru a controla dinamica incluziunilor gazoase și a altor incluziuni în lichide, oamenii de știință sovietici au propus utilizarea vibrațiilor ultrasonice ale lichidelor și au efectuat experimente la bordul unui laborator zburător sub imponderabilitate pe termen scurt, ceea ce a confirmat promisiunea acestei metode.
Având în vedere importanța cercetării în domeniul mecanicii fluidelor, experimentele corespunzătoare au fost incluse și în programul de experimente la stația Salyut-5. Scopul acestor experimente a fost de a investiga mișcarea unui lichid sub acțiunea numai a forțelor capilare și de a obține date calitative despre comportamentul bulelor într-un lichid în condiții apropiate de imponderabilitate. Experimentele au fost efectuate de cosmonauții B.V. Voltov și V.M. Zholobov folosind instrumente Potok și Reaktiya.
Dispozitivul Potok era un paralelipiped dreptunghiular din plexiglas transparent și care conținea două cavități în interior, suprafața interioară a uneia fiind umezită de apă, iar cealaltă nu. Cavitățile sferice sunt interconectate prin canale capilare și de drenaj echipate cu supape de închidere. Înainte de începerea experimentului, supapele au fost deschise și, sub acțiunea forțelor de tensiune superficială, dintr-o cavitate umplută inițial cu lichid cu pereți neumezi într-o cavitate, ai cărei pereți au fost umeziți cu apă, s-a scurs o soluție apoasă. Prin canalul de drenaj, presiunea aerului dintre cavități a fost egalizată. La testarea instrumentului într-un laborator zburător, procesul de curgere a fluidului de la o cavitate la alta a fost înregistrat prin filmare.
La testarea dispozitivului la stația Salyut-5, a fost studiată rezistența unei bule de gaz într-un lichid la stres mecanic. Când dispozitivul a fost agitat energic, bula de gaz din cavitatea plină cu lichid sa spart într-un număr mare (aproximativ 100) de bule mici. Ulterior, aceste bule s-au contopit treptat într-una mare, dar durata acestui proces a fost semnificativă - aproximativ două zile.
Orez. 9. Schema locației tubului și cuplajului în dispozitivul „Reacție”.
Dispozitivul Reaktiya consta dintr-un corp și două recipiente cu exo-pachete cilindrice, în interiorul fiecăruia se afla un tub de oțel inoxidabil cu un cuplaj pus pe el (Fig. 9). Lipitura mangan-nichel a fost plasată în spațiul dintre tub și manșon, care s-a topit în timpul experimentului, s-a răspândit de-a lungul golului și s-a solidificat la răcire și a asigurat îmbinări lipite puternice între manșon și tub. După cum a arătat studiul eșantioanelor de lipit livrate pe Pământ, lipirea lichidă a umezit suprafețele și a trecut prin golul capilar format între suprafața interioară a manșonului și tubul din cavitatea inelară. dimensiune mai mareîntr-o cavitate inelară mai mică (Fig. 10).
Astfel, folosind dispozitivul „Reacție”, s-a demonstrat posibilitatea revărsării lichidului sub acțiunea forțelor de tensiune superficială. Această metodă de control al fluxului de fluid poate fi utilă în practică, de exemplu, pentru producerea de produse turnate de formă complexă în spațiu. Experimente similare pentru a studia împrăștierea metalului lichid (staniu) de-a lungul matrițelor de cupru de formă complexă sub acțiunea forțelor de tensiune superficială au fost, de asemenea, efectuate în timpul lansării unei rachete la mare altitudine în URSS în martie 1976.
Orez. 10. Secțiuni transversale (a) și longitudinale (b) ale unei îmbinări de lipit în dispozitivul de reacție
procesele de cristalizare. Cel mai important proces de obținere a materialelor în condiții de spațiu este cristalizarea acestora. Monocristalele pot fi obținute din soluții, topituri sau din faza de vapori. Caracteristicile tuturor celor trei metode de obținere a cristalelor au fost studiate pe diverse nave spațiale. Să luăm ca exemplu experimentele de creștere a cristalelor efectuate la stația Salyut-5, precum și în timpul zborului comun al navei spațiale Soyuz și Apollo.
La stația Salyut-5, au fost studiate caracteristicile creșterii cristalelor din soluții apoase. Acasă semn distinctiv experimente similare în spațiu este lipsa convecției în lichid, ceea ce duce la fluctuații în rata de creștere și compoziția cristalului. Din acest punct de vedere, calitatea cristalelor obținute în spațiu ar trebui să fie mai mare. Dar, pe de altă parte, în condiții cosmice, forța lui Arhimede nu acționează asupra bulelor de gaz dintr-un lichid, iar aceste bule pot fi captate de fețele de cristal în creștere.
Studiul acestor procese la stația Salyut-5 a fost efectuat cu ajutorul dispozitivului Kristall. Era un termostat cu trei cristalizatoare, în fiecare din care au fost crescute cristale de alaun de potasiu din soluția lor apoasă (vezi Fig. 6). Alaunul de potasiu a fost ales ca material studiat, deoarece proprietățile și caracteristicile lor de creștere pe Pământ sunt bine studiate. Pentru a induce procesul de cristalizare, în fiecare dintre soluții a fost introdusă o bucată de cristal („sămânță”). Pe fețele sale, a început creșterea cristalului, al cărui material, datorită difuziei, a provenit din soluție. Pe fig. 11 prezintă mostre de cristale de alaun de potasiu crescute pe stația orbitală Salyut-5.
Experimentul cu cristalizatorul nr. 1 a durat 24 de zile (de la 14 iulie până la 8 august 1976). Prima expediție la stația Salyut-5 - cosmonauții B.V. Volynov și V.M. Zholobov - a livrat pe Pământ cristale din acest cristalizator, care au crescut nu numai pe „sămânță”, ci și în volumul cristalizatorului (masă sau volum, cristalizare). ). Experimentul cu cristalizatorul nr. 2 a durat 185 de zile (de la 9 august 1976 până la 11 februarie 1977). Cea mai mare parte a acestui experiment a avut loc în timp ce stația Salyut-5 era în modul controlat fără pilot. A doua expediție - cosmonauții V. V. Gorbatko și Yu. N. Glazkov - a livrat pe Pământ un număr mare de cristale obținute în timpul cristalizării în masă. S-a remarcat un fenomen interesant - fuziunea cristalelor individuale în lanțuri („coliere”). Experimentul în cristalizatorul nr. 3 a fost efectuat timp de 11 zile. Un cristal care a crescut pe o „sămânță” a fost livrat pe Pământ; nu a existat nicio cristalizare în masă în acest cristalizator (vezi Fig. 11).
Studiul cristalelor crescute în cristalizatorul nr. 1 a arătat că cristalele „cosmice” diferă de cele cultivate pe Pământ atât în fațarea exterioară a cristalelor (acele fețe de cristal care sunt de obicei slab dezvoltate în probele terestre sunt bine dezvoltate), cât și în structura internă. (probele cosmice conțin o cantitate crescută de incluziuni gaz-lichid). Studiul cristalelor obţinute prin cristalizare în masă în cristalizatorul nr. 2 a arătat că acestea conţin şi incluziuni gaz-lichid. Se observă intercreșteri de patru până la cinci cristale individuale. Pentru un cristal crescut în matrița nr. 3, alternarea zonelor care conțin incluziuni de gaz cu zone fără incluziuni este tipică.
Orez. Fig. 11. Cristale de alaun de potasiu crescute la stația Salyut-5 (a - probe din matrița nr. 1; b - din matrița nr. 2; c - din matrița nr. 3)
Studiile asupra cristalelor livrate din spațiu au arătat, de asemenea, că acestea nu prezintă benzi, care este caracteristică condițiilor terestre și indică fluctuații ale ratei de creștere. Acest rezultat se poate datora absenței convecției în soluție în condiții de spațiu.
Sursa incluziunilor gaz-lichid în cristale sunt în mod evident bulele de gaz dizolvate în lichid și eliberate pe frontul de cristalizare. Bulele de gaz sunt captate de cristalul în creștere și determină antrenarea soluției lichide. Folosind soluții degazate în experimentele ulterioare, va fi posibil să crească cristale în spațiu care nu conțin astfel de incluziuni. Intercreșterile de cristale observate în cristalizatorul nr. 2, în care procesul de cristalizare a durat aproximativ o jumătate de an, se datorează aparent atracției reciproce a cristalelor care cresc în volumul lichidului pentru o perioadă lungă de timp.
Caracteristicile creșterii cristalelor din topire au fost, de asemenea, studiate folosind germaniul ca exemplu, tot într-un experiment efectuat în timpul zborului navei spațiale Soyuz-Apollo. Probele de testat au fost plasate în fiole, care au fost instalate într-un cuptor electric, unde germaniul a fost supus la topire parțială urmată de solidificare în modul de răcire programat la o viteză de 2,4 grade/min. Pentru a determina experimental rata de creștere a cristalelor, marcajele suprafeței de separare a fazelor au fost efectuate la fiecare patru secunde prin trecerea de impulsuri scurte prin topitură. curent electric. În timpul prelucrării post-zbor a probelor, aceste semne au fost dezvăluite, iar din ele a fost măsurată rata de creștere a cristalelor, care la sfârșitul perioadei de răcire a fost de aproximativ 10–3 cm/s. În experimentele de control organizate pe Pământ, această viteză s-a dovedit a fi aproximativ aceeași. Acest rezultat înseamnă că, atât în spațiu, cât și pe Pământ, transferul de căldură în topitură a fost determinat pentru acest caz în principal de conductibilitatea termică, în timp ce rolul convecției este neglijabil de mic. Cristalele obținute în spațiu au fost mult mai mari decât cele crescute pe Pământ în aceeași configurație.
În experimentul, care a fost realizat și în cadrul programului Soyuz-Apollo, a fost studiată creșterea cristalelor din faza de vapori. Cristalele de tip germaniu - seleniu - teluriu au crescut în fiole sigilate, care au fost plasate într-o zonă cu diferență de temperatură într-un cuptor electric de încălzire. Experimentul a arătat că cristalele livrate din spațiu sunt mai perfecte decât probele de control obținute pe Pământ (uniformitate mai mare, mai puține defecte ale rețelei cristaline etc.). Totodată, s-a constatat că, contrar așteptărilor teoretice, viteza de transfer de masă depășește valoarea calculată într-o aproximare pur difuzivă, dar este mai mică decât valoarea obținută în experimentele de control pe Pământ, unde convecția a jucat un rol semnificativ. Acest rezultat necesită încă o explicație teoretică.
Astfel, experimentele efectuate în spațiu asupra creșterii cristalelor din soluții, topituri și din faza de vapori au arătat că în condiții de spațiu este posibil să se obțină materiale cristaline cu perfecțiune și uniformitate mai mare. În același timp, s-a stabilit că o serie de caracteristici observate experimental ale creșterii cristalelor în imponderabilitate nu au primit încă acoperirea teoretică necesară și necesită investigații suplimentare.
Solidificare fără container în imponderabilitate. Procesele de modelare a corpurilor lichide și de solidificare a acestora în condițiile în care nu sunt afectate de forța greutății au caracteristici proprii. În primul rând, lichidul, lăsat singur în aceste condiții, tinde, după cum se știe, să ia forma unei mingi. Cu toate acestea, în realitate, atunci când un lichid se solidifică, apar o serie de efecte care complică procesul de sferoidizare: fluctuații libere ale volumului lichidului, viteze diferite de răcire a lichidului la suprafață și în volum etc. În al doilea rând, procesele de solidificare si cristalizare a unui astfel de lichid in imponderabilitate se poate proceda si dupa -altele. În primul rând, aceasta se referă la convecție, care, în condiții terestre, netezește fluctuațiile de temperatură în topitură și contribuie la stabilitatea procesului de cristalizare. În al treilea rând, în cazul aliajelor multicomponente, absența gravitației poate afecta redistribuirea componentelor în interiorul lichidului și, prin urmare, omogenitatea probei.
Totalitatea acestor probleme a fost investigată în experimente la stația Skylab, precum și într-un experiment cu dispozitivul Sphere la stația Salyut-5. În primul dintre aceste experimente, semifabricatele de nichel pur sau aliajele sale au fost topite printr-un fascicul de electroni și apoi răcite plutind liber într-o cameră vid la bordul stației Skylab. Studiile de sol ale probelor obținute au arătat că abaterea formei lor de la sferică este de aproximativ 1%, iar probele preparate din aliaje conțin pori interni. Scopul unui alt experiment a fost obținerea în imponderabilitate a materialelor cu porozitate uniformă prin retopirea grilelor de argint. Oamenii de știință americani nu au reușit să obțină astfel de materiale, dar la topirea ochiurilor subțiri de argint în fiole, s-a observat sferoidizarea picăturilor de argint lichid. Studiile de sol ale acelei părți a picăturilor întărite, care nu a avut contact cu pereții fiolei în timpul răcirii, au arătat că forma lor este departe de a fi perfectă. Suprafața probelor este acoperită cu o rețea de caneluri, iar în volumul lor există cavități de contracție. Structura internă a probelor avea un caracter celular. Se poate presupune că solidificarea celulară și formarea cochiliilor au împiedicat formarea unor sfere mai regulate în condiții apropiate de imponderabilitate.
Pentru a obține informații noi despre procesele care însoțesc solidificarea fără container a metalului lichid la stația Salyut-5, a fost realizat un experiment cu dispozitivul Sfera. Ca substanță de testat a fost ales aliajul eutectic al lemnului, care are un punct de topire minim (aproximativ 70 °C) și, prin urmare, permite reducerea la minimum a consumului de energie (10 W). Compoziția chimică a aliajului investigat (în greutate): bismut - 40, plumb - 40, cadmiu - 10, staniu - 10%. Dispozitivul „Sphere” era un încălzitor electric, în interiorul căruia s-a topit piesa de prelucrat investigată cu o greutate de 0,25 g, care a fost apoi împinsă într-o pungă de lavsan cu ajutorul unei tije. În interiorul acestui sac, turnarea s-a răcit și s-a solidificat fără a intra în contact cu pereții. Timpul în care preforma plasată în încălzitor a fost încălzită până la punctul de topire a fost de 30 s pe Pământ. În imponderabilitate, contactul dintre piesa de prelucrat și pereții încălzitorului ar trebui să se înrăutățească; prin urmare, timpul de încălzire al probei a fost mărit la 2 minute.
Eșantionul livrat pe Pământ după finalizarea experimentelor avea o formă elipsoidală, iar suprafața sa a fost acoperită cu fibre aranjate aleatoriu (conform cosmonautului V. M. Zholobov, proba arăta ca un arici). După cum a arătat analiza, structura internă a probei s-a schimbat foarte mult din cauza topirii în spațiu: distributie uniforma Componentele aliajului în volum, s-au format cristale asemănătoare ace cu compoziție chimică diferită etc. Motivul probabil pentru aceste modificări este, aparent, în caracteristicile regimului termic al topiturii în timpul solidificării ei în izolare fără recipient. Încercările de a selecta în condiții de laborator un astfel de regim termic pentru prelucrarea unei țagle din aliaj de Lemn care să conducă la o structură similară a turnării nu au dat, evident, un rezultat pozitiv, deoarece este imposibil să se reproducă reținerea probei fără container pe Pământ.
Astfel, studiile efectuate până în prezent în domeniul fundamentelor fizice ale producției spațiale, inclusiv experimentele efectuate pe diverse nave spațiale, au confirmat corectitudinea ideilor generale despre caracteristicile proceselor fizice în imponderabilitate și au furnizat dovezi experimentale directe ale posibilitatea de a obţine materiale cu caracteristici îmbunătăţite în spaţiu. În același timp, experimentele au arătat inadecvarea teoriilor cantitative existente ale acestor procese și au relevat necesitatea unor studii speciale care să vizeze dezvoltarea bazelor teoretice pentru producerea de noi materiale în spațiu.
metalurgia spațială
Metalurgia se ocupă cu producerea metalelor și cu procese care conferă aliajelor metalice proprietățile necesare prin modificarea compoziției și structurii acestora. Metalurgia include procesele de curățare a metalelor de impuritățile nedorite, producția de metale și aliaje, tratarea termică a metalelor, turnarea, acoperirea suprafeței produselor etc. Cele mai multe dintre aceste procese includ tranziții de fază la stări lichide sau gazoase, pentru care influența forțelor de masă asupra compoziției și structurii materialului final poate fi semnificativă. Prin urmare, transferul proceselor metalurgice în spațiu deschide posibilități fundamentale pentru producerea materialelor cu caracteristici îmbunătățite, precum și a materialelor care nu pot fi obținute pe Pământ.
Procesele metalurgice în condiții de spațiu pot fi folosite pentru a rezolva următoarele probleme.
1. Pregătirea aliajelor în care nu există segregare datorită forței lui Arhimede (obținerea materialelor compozite, aliaje de omogenitate și puritate ridicată, spumă de metale).
2. Prepararea aliajelor în absența curenților de convecție (monocristale fără defecte, eutectice îmbunătățite și materiale magnetice).
3. Turnare fără gravitație (pregătire de filme, sârmă, produse turnate de formă complexă).
4. Topirea fără creuzet a metalelor și aliajelor (purificarea metalelor și aliajelor, solidificarea uniformă a acestora).
5. Dezvoltarea metodelor de obținere a îmbinărilor permanente pe vehiculele spațiale (sudura, lipirea etc.).
Să luăm în considerare pe scurt stadiul cercetărilor care vizează obținerea de materiale în spațiu prin metode metalurgice.
Cristale și aliaje fără defecte. Pentru producerea aliajelor, componentele inițiale pot fi preparate atât în fază lichidă, cât și în fază gazoasă (vapora), urmată de cristalizare. În imponderabilitate, din cauza absenței separării fazelor, pot fi specificate combinații arbitrare de componente în orice stare. Este posibilă, în special, să se obțină o tranziție directă de la faza de vapori la solid, ocolind topitura. Materialele obținute prin evaporare și condensare au o structură mai fină, care este de obicei dificil de obținut în procesele de topire și solidificare (topirea în condiții de spațiu poate fi considerată o metodă de purificare). În acest caz, în topitură sunt posibile următoarele efecte: evaporarea unei componente mai volatile, distrugerea compuși chimici(oxizi, nitruri etc.).
Cel mai important proces pentru producerea aliajelor este solidificarea. Acest proces afectează în mod semnificativ structura metalului. În timpul solidificării pot apărea diverse defecte în structura metalică: eterogenitatea aliajului în ceea ce privește compoziția chimică, porozitatea etc. Prezența scăderilor de temperatură și concentrație în topitură poate duce la convecție. Dacă topitura se solidifică în condiții de fluctuații de temperatură, atunci apar fluctuații locale ale ratei de creștere a cristalului, ceea ce poate duce la un astfel de defect precum o structură cristalină cu bandă. Pentru a depăși acest defect structural, sunt necesare măsuri de reducere a convecției.
In conditii de spatiu se deschide posibilitatea de a prepara amestecuri omogene formate din componente cu densitati diferite si cu puncte de topire diferite. Pe Pământ, astfel de amestecuri nu pot fi stabile din cauza forței lui Arhimede. O clasă specială de aliaje de acest tip sunt materialele magnetice, inclusiv noii supraconductori.
S-a remarcat anterior că unul dintre avantajele metodei de topire a zonei în condiții de spațiu este că este posibil să se obțină cristale simple de dimensiuni mai mari decât pe Pământ. Absența gravitației face posibilă și organizarea proceselor de cristalizare dirijată într-un mod nou. În acest fel, pot fi obținute mustăți de lungime mare („muștați”, sau „muștați”) cu rezistență sporită.
Să luăm în considerare experimentele în care au fost investigate posibilitățile practice ale metalurgiei spațiale. Deci, într-un experiment la stația Skylab, aliajele au fost obținute din componente care sunt slab amestecate în condiții terestre. În trei fiole au fost plasate semifabricate din aliaje de aur-germaniu, plumb-zinc-antimoniu, plumb-staniu-indiu. În condiții de spațiu, probele au fost topite timp de câteva ore, ținute la o temperatură peste punctul de topire și apoi răcite. Probele livrate pe Pământ au proprietăți unice: omogenitatea materialelor s-a dovedit a fi mai mare decât cea a probelor de control obținute pe Pământ, iar aliajul de aur cu germaniu s-a dovedit a fi supraconductor la o temperatură de aproximativ 1,5 K. Amestecuri analoge obținute dintr-o topire pe Pământ nu posedă această proprietate, aparent din cauza lipsei de omogenitate.
În cadrul programului sovietic-american ASTP, a fost realizat un astfel de experiment, al cărui scop a fost studiul posibilității de a obține materiale magnetice cu caracteristici îmbunătățite. Pentru cercetare au fost alese aliaje de mangan-bismut și cupru-cobalt-ceriu. Temperatura maximă de 1075 °C a fost menținută în zona de lucru a cuptorului electric timp de 0,75 ore, iar apoi cuptorul s-a răcit timp de 10,5 ore. Solidificarea a avut loc în perioada de somn a astronauților pentru a reduce impactul nedorit al vibrațiilor în timpul mișcărilor acestora în interiorul stației. Cel mai important rezultat al acestui experiment este că probele de primul tip, solidificate la bordul navei spațiale, au o forță coercitivă cu 60% mai mare decât cea a probelor de control obținute pe Pământ.
Materiale compozite. Materialele compozite, sau compozitele, sunt materiale create artificial care constau dintr-un liant principal și un material de umplutură de armare durabil. Exemplele includ combinația de aluminiu (material de lipire) cu oțel preparat sub formă de filamente (material de armare). Aceasta include, de asemenea, spumă metalică, adică metale, al căror volum conține un număr mare de bule de gaz distribuite uniform. În comparație cu componentele care le formează, materialele compozite au proprietăți noi - rezistență sporită cu o greutate specifică mai mică. O încercare de a obține compozite cu o bază în stare lichidă în condiții terestre duce la delaminarea materialului. Pregătirea compozitelor în condiții de spațiu poate asigura o distribuție mai uniformă a umpluturii de armare.
La stația Skylab s-a înființat și un experiment, al cărui scop a fost obținerea de materiale compozite armate cu „muștați” de carbură de siliciu (gravitate specifică 3,1). Argintul (gravitate specifică 9,4) a fost ales ca material principal (matrice). Materialele compozite cu o bază metalică întărită cu „muștați” prezintă un interes practic datorită rezistenței lor ridicate. Tehnica de producere a acestora se bazează pe procese succesive de amestecare, presare și sinterizare.
La efectuarea unui experiment spațial, dimensiunile particulelor de pulbere de argint au fost de ~ 0,5 mm, diametrul „mustăților” de carbură de siliciu ~ 0,1 μm, iar lungimea medie a fost de ~ 10 μm. Tubul de cuarț care adăpostește proba conținea un piston din grafit-cuarț cu un arc pentru a comprima proba după topire pentru a extruda golurile din topitură. Un studiu al materialelor compozite livrate în spațiu a arătat că, în comparație cu probele de control, acestea au o structură mult mai uniformă și o duritate mai mare. În cazul materialelor obținute pe Pământ, stratificarea structurală este clar vizibilă, iar „muștații” plutesc în sus.
Eutectică. Un eutectic este un amestec fin solide, a cărui cristalizare are loc simultan la o temperatură sub punctul de topire al oricăruia dintre componente sau al oricăror alte amestecuri ale acestor componente. Temperatura la care o astfel de topitură cristalizează se numește temperatură eutectică. Aliajele de acest tip sunt adesea formate din componente care sunt foarte diferite unele de altele (de exemplu, aliajul eutectic al lemnului include bismut, plumb, staniu, cadmiu). Materialele eutectice sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie: sunt utilizate pentru fabricarea palelor de turbine cu gaz, ca supraconductoare și materiale optice speciale.
Pentru prepararea eutecticilor, se folosește de obicei metoda de solidificare direcțională, adică solidificarea într-o direcție dată. Aplicarea acestei metode în condiții de spațiu prezintă un interes indubitabil, deoarece datorită absenței convecției, omogenitatea materialului poate fi îmbunătățită, iar prin eliminarea contactului topiturii cu pereții, se poate obține fără oxizi. materiale care vor avea proprietăți optice utile.
O varietate de eutectice sunt sisteme cu două faze, cum ar fi „muștații”. Acestea sunt monocristale aciculare cu o structură foarte perfectă, a căror rezistență, datorită absenței incluziunilor străine, se apropie de posibilul teoretic. În imponderabilitate, astfel de materiale pot fi cultivate și introduse în metal lichid prin metode de turnare compozite. Un alt tip de eutectică este filmele epitaxiale subțiri. Astfel de filme sunt utilizate pe scară largă în fabricarea tranzistoarelor prin depunerea unui material pe o bază solidă - un substrat dintr-o fază lichidă sau de vapori. Manifestarea convecției într-un lichid sau gaz duce la o distorsiune a rețelei filmelor epitaxiale, la apariția incluziunilor nedorite și a altor defecte structurale în acestea.
Au fost efectuate o serie de experimente în condiții de spațiu pentru a studia aliajele eutectice. De exemplu, într-un experiment la stația Skylab, a fost investigat efectul imponderabilității asupra structurii unui aliaj de cupru-aluminiu în timpul solidificării direcționale. În probele livrate din spațiu, numărul de defecte a scăzut cu 12–20%. Într-un alt experiment la stația Skylab și MA 131 în timpul zborului comun al navei spațiale Soyuz și Apollo, a fost studiată producția de eutectici cu halogenuri în două faze (NaCl-NaF în primul caz și NaCl-LiF în al doilea). În timpul solidificării unui astfel de eutectic, una dintre faze (NaF sau LiF) poate forma filamente încorporate în cealaltă fază ca material de matrice.
Asemenea substanțe eutectice pot fi utilizate ca fibre optice pentru regiunea infraroșie a spectrului. Eutecticele filamentoase produse pe Pământ au un număr mare de defecte, apariția cărora este asociată cu mișcări oscilatorii de convecție în lichid. Structura eutecticilor cu halogenuri obținute în spațiu s-a dovedit a fi mai perfectă, ceea ce a dus la îmbunătățirea lor. specificații. Astfel, coeficientul de transmisie a luminii pentru eșantionul de primul tip a crescut de 40 de ori, iar de al doilea tip - de 2 ori în comparație cu mostre similare cultivate pe Pământ.
Tehnologie pentru obținerea conexiunilor permanente. După cum s-a menționat mai sus, prima lucrare din lume în acest domeniu a fost efectuată în Uniunea Sovietică în 1969 pe nava spațială Soyuz-6. Pe stația spațială sovietică Salyut-5, cosmonauții B. V. Volynov și V. M. Zholobov au continuat cercetările în această direcție, realizând cu succes experimente privind lipirea metalelor cu ajutorul dispozitivului Reaction. Dispozitivul „Reacție” (vezi Fig. 6) și exocontainerul plasat în el nu au fost ermetice prin proiectare și, prin urmare, pentru a simula condițiile de lipire în spațiul cosmic, aerul a fost evacuat în prealabil din zona etanșă dintre manșon și tub ( vezi Fig. 9). Tubul și cuplajul au fost realizate din oțel inoxidabil, iar pentru a crea goluri capilare între ele, pe suprafața tubului s-a făcut moletare cu o adâncime de 0,25 mm. Ca lipitură a fost aleasă lipitură mangan-nichel la temperatură înaltă (temperatura de lipire 1200–1220 °C), care se caracterizează prin proprietăți mecanice ridicate și rezistență bună la coroziune.
Studiile metalografice la sol și testele sudurilor (pentru densitatea în vid, pentru rezistența mecanică la un tester de tracțiune cu o presiune internă de până la 500 atm) au arătat că îmbinările de lipire obținute în spațiu nu sunt inferioare calitativ celor obținute în condiții terestre. , și să le depășească într-un număr de indicatori. În special, se observă o umplere uniformă a golurilor cu lipire, iar microstructura metalică este mai uniformă (vezi Fig. 10).
Rezultatele testelor la bordul navei spațiale diverse metode Sudarea și lipirea confirmă că atunci când se efectuează lucrări de montare și asamblare pe obiecte spațiale promițătoare, aceste metode de obținere a îmbinărilor permanente își vor găsi o aplicație largă.
materiale semiconductoare
Semiconductoare - substanțe care au conductivitate electronică, iar din punct de vedere al conductibilității electrice ocupă o poziție intermediară între conductorii buni (metale) și izolatorii (dielectrici). Semiconductorii tipici sunt, de exemplu, germaniul și siliciul. Conductivitatea electrică a semiconductorilor este foarte dependentă de temperatură. Sub acțiunea luminii, conductivitatea electrică a unor semiconductori crește; astfel de materiale sunt uneori denumite fotoconductori. Proprietățile semiconductorilor sunt, de asemenea, foarte sensibile la perfecțiunea rețelei lor cristaline și la prezența impurităților. În unele cazuri, prezența unei impurități în cea mai mică concentrație (de exemplu, 10 -6 sau 10 -7) este factorul decisiv care determină proprietățile electrice ale semiconductorului. Aceste calități unice ale materialelor semiconductoare au asigurat utilizarea lor cea mai largă în aproape toate domeniile științei și tehnologiei.
Fabricarea materialelor semiconductoare în spațiu poate oferi beneficii semnificative din mai multe motive. În primul rând, proprietățile acestor materiale depind puternic de tehnologia de preparare a acestora, iar multe efecte nedorite sunt cauzate de manifestarea forței de greutate (convecție în topitură, separarea componentelor de diferite densități etc.). În al doilea rând, în condiții de spațiu, uniformitatea distribuției dopanților într-un semiconductor poate fi îmbunătățită semnificativ.
Să ne întoarcem la luarea în considerare a experimentelor tehnologice specifice care vizează realizarea avantajelor indicate de fabricarea materialelor semiconductoare în spațiu.
Creșterea monocristalelor din topituri. Defecte ale monocristalelor semiconductoare în timpul creșterii lor dintr-o topitură apar din cauza apariției fluxurilor de convecție în topitură tip diferit, precum și din cauza pătrunderii impurităților nedorite în acesta. Pentru a crește un singur cristal dintr-o topitură, este necesară o diferență de temperatură, iar în acest caz, convecția termică are loc adesea pe Pământ. Curenții de convecție duc la apariția unor fluctuații locale de temperatură în lichid, iar datorită faptului că solubilitatea impurității din topitură depinde de temperatură, la o distribuție neomogenă a impurității în cristalul în creștere. Acest fenomen, datorat convecției, se numește banding sau microsegregare. Bandingul este unul dintre defectele structurii monocristalelor semiconductoare. Datorită posibilității de reducere a rolului convecției în spațiu, este de așteptat ca monocristalele crescute la bordul unei nave spațiale să aibă o structură mai uniformă.
Pentru a evalua efectul curenților de convecție asupra fenomenului de segregare, folosind exemplul monocristalelor de germaniu dopate cu impurități, un astfel de experiment a fost efectuat la stația Skylab. Cristalele puse în fiole au fost introduse într-un cuptor electric de încălzire, unde au fost mai întâi topit parțial, iar apoi, în condiții de diferență de temperatură aproape constantă, s-au răcit și s-au cristalizat. Galiul, antimoniul și borul au fost folosiți ca dopanți în diferite fiole. Comparația cu probele de control obținute prin aceeași metodă pe Pământ a arătat că segregarea impurităților din cristalele de germaniu livrate din spațiu s-a dovedit a fi de câteva ori mai mică. În cazul germaniului dopat cu galiu, a fost investigată și uniformitatea relativă a rezistivității materialului pe lungimea probei. Pentru probele terestre, a fost ? ?? ? 6,4 10 -2, iar pentru spațiu - 0,8 10 -2.
Procesul de cristalizare a germaniului dopat cu galiu a fost studiat și în timpul lansării unei rachete sovietice de mare altitudine în decembrie 1976. În acest experiment, a fost folosită o sursă de căldură exotermă pentru încălzirea probelor. Un studiu al fiolelor livrate pe Pământ a arătat că frontul de topire avea o formă destul de plată. Acest rezultat a confirmat promisiunea utilizării dispozitivelor de acest tip c. experimente pentru obținerea de materiale semiconductoare.
În alte experimente de la stația Skylab, s-au obținut monocristale de antimoniură de indiu. În prima dintre ele, în interiorul unei capsule de grafit a fost instalată o tijă de antimoniură de indiu, astfel încât capătul liber să fie într-o emisferă goală. Scopul experimentului este o încercare de a obține cristale sferice. Cu toate acestea, datorită faptului că topitura a aderat parțial la peretele de grafit al cavității, forma cristalelor obținute s-a dovedit a fi nu sferică, ci în formă de picătură. Cu toate acestea, structura cristalină a devenit mai perfectă: densitatea de dislocare a scăzut cu un factor de 5–10, iar impuritatea (seleniul) a fost distribuită mai uniform decât în probele de control obținute pe Pământ.
Un alt experiment a constat în topirea și solidificarea ulterioară a probelor de antimoniură de indiu, care se află în trei fiole sigilate: într-una - antimoniură de indiu pură, în cealaltă - aliată cu telur, în a treia - aliată cu staniu. Studiile asupra cristalelor obținute au arătat, de asemenea, omogenitatea lor ridicată.
Într-o serie de experimente, a fost studiată posibilitatea obținerii de materiale semiconductoare din topituri constând din componente care diferă mult în greutate specifică. De exemplu, într-un experiment efectuat în timpul zborului comun al navei spațiale Soyuz și Apollo, a fost studiat efectul imponderabilității asupra solidificării direcționale a materialelor semiconductoare. S-au folosit perechi de plumb-zinc și antimoniu-aluminiu. Probele spațiale ale aliajului de antimoniu-aluminiu s-au dovedit a fi mai omogene decât cele de pe pământ. În cazul aliajului plumb-zinc, omogenitatea completă nu a putut fi realizată.
Creșterea monocristalelor din soluții. Dacă un cristal de sămânță este introdus într-o soluție suprasaturată a substanței dorite, atunci cristalul va crește pe el la o temperatură constantă. Această metodă este utilizată pentru a crește cristale care sunt utilizate ca detectoare de unde sonore, în optică etc. Un cristal în creștere este sensibil la orice modificare a condițiilor de creștere: fluctuații de temperatură și concentrație, apariția curenților de convecție, prezența impurităților străine, etc. Schimbarea condițiilor de excitare a curenților de convecție în soluție, un comportament diferit al impurităților în imponderabilitate va afecta caracteristicile creșterii cristalelor la bordul navelor spațiale.
Rezultatele unui studiu experimental al caracteristicilor de creștere a cristalelor de alaun de potasiu din soluția lor apoasă suprasaturată, care a fost efectuat la stația Salyut-5, sunt prezentate în capitolul anterior.
Creșterea cristalelor din faza de vapori. Creșterea cristalelor prin metoda fazei de vapori este utilizată pe scară largă pentru a obține pelicule epitaxiale din materiale semiconductoare. O diagramă schematică a unui dispozitiv pentru creșterea cristalelor din faza de vapori a fost prezentată în fig. 5. În condiții normale, metoda este sensibilă la excitația convecției, ceea ce duce la apariția defectelor în rețeaua cristalină. In plus, exista tendinta de policristalizare, fiind dificil de obtinut cristale mari prin aceasta metoda pe Terra.In conditii de spatiu se poate conta pe limitarea rolului convectiei si imbunatatirea calitatii materialelor obtinute, precum si pe cresterea dimensiunea monocristalelor.
Efectele așteptate au fost investigate și în experimentul Skylab. Tehnica de creștere a cristalelor în fază de vapori a fost aplicată seleniurei de germaniu și telururii de germaniu. Au fost obținute cristale, a căror calitate s-a dovedit a fi mai mare decât cea a probelor de control pregătite pe Pământ. A fost posibil să se obțină monocristale plate de seleniură de germaniu cu o dimensiune de 4 x 17 mm și o grosime de aproximativ 0,1 mm. Pe Pământ s-au obținut doar cristale mici cu o structură imperfectă.
Ținând cont de aceste rezultate, în timpul zborului comun al navei spațiale Soyuz și Apollo, a fost efectuat un astfel de experiment. Aici, tehnica creșterii cristalelor din faza de vapori a fost aplicată la sisteme mai complexe: germaniu-seleniu-teluriu și germaniu-sulf-seleniu. Probele obținute în condiții de spațiu s-au dovedit și ele mai perfecte, iar structura lor mai omogenă.
Sticlă optică și ceramică
Influența condițiilor apropiate de imponderabilitate asupra tehnologiei de producție a sticlei poate fi diferită. În primul rând, topirea fără container poate fi efectuată în imponderabilitate, reducând astfel drastic intrarea impurităților dăunătoare în material de pe pereții creuzetului în care se topește sticla. În al doilea rând, este posibil să se asigure stabilitatea amestecurilor lichide, ale căror componente diferă foarte mult ca densitate. În al treilea rând, absența convecției libere reduce probabilitatea apariției centrelor de cristalizare aleatoare și îmbunătățește uniformitatea. În al patrulea rând, rolul predominant al forțelor capilare poate fi folosit pentru a da topiturii lichide forma necesară (fibre, pelicule etc.) înainte de solidificare. Utilizarea acestor factori face posibil să se bazeze pe (obținerea unor tipuri de ochelari îmbunătățite sau calitativ noi, precum și a produselor din sticlă în procesul de producție spațială.
Pe fig. 12 arată cum se modifică volumul masei care formează sticla topită cu temperatura. Când, pe măsură ce topitura se răcește, se atinge temperatura de solidificare T m, procesul ulterior se poate dezvolta în două moduri. Dacă în topitură sunt prezenți nuclei (impurități provenite de pe pereții creuzetului, neomogenități locale în compoziția chimică etc.), atunci cristalizarea poate începe în volum, iar volumul va scădea conform curbei inferioare. Dacă, pe de altă parte, formarea nucleelor de cristalizare poate fi suprimată, iar viteza de răcire poate fi suficient de mare, atunci va apărea mai întâi starea unui lichid suprarăcit, care, când este atinsă temperatura de tranziție sticloasă, T g trece în sticlă (curba superioară din fig. 12). În spațiu, procesul de topire fără creuzet a sticlei este posibil, iar omogenitatea topiturii va fi mai mare din cauza absenței convecției. Aceste avantaje deschid posibilitatea de a obține tipuri îmbunătățite și noi de sticlă optică la bordul navelor spațiale.
Orez. 12. Modificarea volumului de lichid cu temperatura în timpul topirii sticlei (T m - temperatura de cristalizare;T g - temperatura de tranziție sticloasă. 1 - se topește; 2 - lichid suprarăcit; 3 - sticla; 4 - cristal)
În același timp, pentru dezvoltarea cu succes a producției de sticlă în condiții de spațiu, se pare că vor trebui depășite o serie de dificultăți tehnice: îndepărtarea bulelor de gaz nedorite dintr-o masă sticloasă în absența flotabilității, asigurarea unei viteze de răcire date fără convecție naturală, control regim de temperatură răcire și nivel acceptabil de accelerații aleatorii în condițiile de reținere fără container a masei sticloase.
Tot ceea ce s-a spus despre particularitățile producției de sticlă în condiții de spațiu se aplică și producției de ceramică.
Să luăm în considerare pe scurt câteva domenii promițătoare ale producției spațiale de sticlă și ceramică. Scopul acestor studii este de a explora posibilitatea obținerii de ochelari cu caracteristici optice îmbunătățite, cu un punct de topire ridicat, care absorb și reflectă căldura, pentru fabricarea de lasere cu stare solidă care să fie rezistente la medii active chimic și să își păstreze proprietățile pe termen lung. perioade de timp, ochelari semiconductori cu „memorie” pentru circuite integrate.
Producția în spațiu a acestor ochelari poate oferi o serie de avantaje. Ochelarii semiconductori, de exemplu, au un indice de refracție ridicat în regiunea infraroșu. Când le topești pe Pământ, este dificil să se asigure o uniformitate optică suficientă. Un alt exemplu este producția de ochelari pentru lasere cu stare solidă care conțin impurități cu concentrație mare (neodim, iterbiu etc.). În spațiu, este posibilă creșterea uniformității distribuției impurităților și, în același timp, reducerea fluxului de contaminanți nocivi de pe pereții containerului.
Datorită absenței forței Arhimede și a rolului predominant al forțelor capilare în condiții apropiate de imponderabilitate, este posibil să se producă produse din sticlă constând din materii prime diferite și cu o perfecțiune ridicată a suprafeței folosind metoda fără recipient. Ca exemplu, luați în considerare filtrele solide, care sunt o suspensie de particule mici transparente în interiorul unui material transparent, selectate în așa fel încât indicii de refracție ai acestor particule și ai materialului să coincidă pentru o singură lungime de undă. Ca rezultat, radiația luminoasă de numai această lungime de undă va trece prin filtru fără pierderi, iar pentru toate celelalte lungimi de undă va exista o împrăștiere și absorbție puternică a luminii datorită reflexiilor multiple între particule. În imponderabilitate, este posibil să se obțină o uniformitate ridicată a distribuției particulelor în materialul de bază.
Producția de sticlă fără containere în spațiu s-ar putea reduce număr relativ unele dintre cele mai frecvente defecte. Aceste defecte includ:
1) cristale, adică incluziuni care ies în evidență din sticla în sine în timpul solidificării;
2) incluziuni străine (vitrificarea fără container este capabilă să reducă drastic concentrația acestora);
3) striae, adică straturile intermediare ale unui sticla în altul, care are un alt compoziție chimică(sursa dungilor este, de asemenea, în mare măsură, afluxul de impurități de pe pereții creuzetului);
4) bule, adică incluziuni de gaz, pentru a le elimina în condiții apropiate de imponderabilitate, masa sticloasă lichidă poate fi supusă unor procesări speciale (rotație, vibrație etc.).
Se poate aștepta o îmbunătățire semnificativă a materialului și în cazul producerii de fibre optice în spațiu. Un astfel de ghidaj de lumină este de obicei o tijă de sticlă refractivă înaltă, înconjurată de o placare inferioară de sticlă refractivă. O diferență mare între acești coeficienți asigură o absorbție scăzută și o transmisie ridicată prin ghidajul de lumină.
Calitatea unui ghidaj luminos depinde de acuratețea relației dintre diametrele tijei și carcasă, precum și între indicii lor de refracție. Dacă la interfața dintre tijă și carcasă există neomogenități nu mai mici decât lungimea de undă a luminii (diferență de diametru, defecte în structura sticlei, neomogenitatea indicilor de refracție etc.), atunci energia luminii va fi parțial împrăștiată și absorbită asupra lor. Contaminarea sticlei (cu ioni grei, vapori de apa, etc.) afecteaza puternic si valoarea de absorbtie.In conditii de spatiu, este posibila imbunatatirea tehnologiei de producere a ghidajelor luminoase cu fibre prin indepartarea impuritatilor nedorite in timpul topirii fara recipient, egaland diametre datorita rolul predominant al forţelor de tensiune superficială în topitură.
Ca exemplu de materiale ceramice promițătoare, a căror producție în spațiu poate fi profitabilă, prezentăm eutectice care se solidifică într-o direcție. Cu această metodă, firele metalice pot fi încorporate în baza ceramică.
Există și propuneri pentru producerea în spațiu a unui alt tip de materiale ceramice - microcircuite compozite. Aceste ceramice sunt compuse dintr-o masă sticloasă care conține particule în suspensie care determină caracteristicile electronice ale materialelor. În condiții de imponderabilitate, se poate conta pe o creștere a omogenității lor.
Datorită complexității tehnologiei de obținere a sticlei, cercetările experimentale asupra navelor spațiale în această direcție au rămas cu mult în urma lucrărilor din alte domenii ale producției spațiale. În martie și decembrie 1976, când au fost lansate rachete de mare altitudine în URSS, au fost efectuate pentru prima dată experimente de topire a sticlei. Folosind surse de energie exotermă, procesele de topire și formare a sticlei au fost studiate în condiții apropiate de imponderabilitate, folosind exemplul sticlei cu umplutură (sticlă cu aluminiu), precum și a sticlei fosfatate deosebit de puternice. O probă de sticlă fosfatată livrată din spațiu constă parțial din zone cu incluziuni de gaz și parțial dintr-o zonă de material omogen. Aliajul aluminiu-sticlă rezultat are proprietăți semiconductoare.
Produse biomedicale
Una dintre sarcinile importante asociate cu producerea produselor biomedicale (vaccinuri, enzime, hormoni etc.) este purificarea acestora. Se știe, de exemplu, că creșterea purității vaccinurilor utilizate reduce probabilitatea apariției efectelor secundare dăunătoare atunci când sunt utilizate, iar acest lucru, la rândul său, vă permite să creșteți doza și să creșteți eficacitatea medicamentului terapeutic.
Una dintre cele mai comune metode de purificare și separare a materialului biologic celular se bazează pe utilizarea electroforezei. Acest fenomen se observă în sisteme dispersate, adică astfel de sisteme care constau din două sau mai multe faze cu o interfață foarte dezvoltată între ele, iar una dintre faze (faza dispersată) este distribuită sub forma particule mici- picături, bule etc. - într-o altă fază (mediu de dispersie). Sistemele disperse includ substanțe biologice. Dacă unui astfel de mediu este aplicat un câmp electric extern, atunci sub influența acestuia, particulele dispersate suspendate în lichid încep să se miște. Acesta este fenomenul electroforezei.
Particulele dispersate suspendate într-un mediu lichid intră sub acțiunea câmp electricîn mişcare pentru că au incarcare electrica. Deoarece diferite molecule organice au sarcini electrice diferite, viteza pe care o dobândesc într-un câmp electric este diferită. Această diferență de viteze stă la baza metodei de separare electroforetică a fracțiilor necesare dintr-un mediu dispersat și purificare a materialelor biologice. Schema montajului experimental construit pe baza acestor principii este prezentată în fig. 13.
Orez. 13. Electroforeza în curgere liberă a lichidului (1 - alimentare cu soluție; 2 - selectarea fracției). Separarea fracțiilor se realizează în direcția perpendiculară pe curgerea soluției dintre electrozi
În condiții terestre, utilizarea electroforezei pentru a separa componentele unui lichid se confruntă cu mai multe dificultăți. În primul rând, există o suprapunere parțială a fracțiilor cauzată de convecția liberă, precum și de convecția termică, din cauza apariției unor scăderi suplimentare de temperatură și densitate în soluție datorită încălzirii acesteia atunci când trece curentul electric. Din acest motiv, cantitatea de curent care poate fi trecută prin soluție este sever limitată pentru a preveni supraîncălzirea nedorită a lichidului. Și asta înseamnă că productivitatea instalației de separare a materialelor biologice este relativ scăzută. În plus, datorită diferenței dintre densitățile fazei dispersate și ale mediului de dispersie, sub acțiunea forței lui Arhimede este posibilă separarea acestora.
În condiții de spațiu, aceste dificultăți pot fi depășite. În primul rând, aceasta se referă la capacitatea de a limita rolul convecției și, în consecință, de a îmbunătăți gradul de epurare și de a crește productivitatea instalațiilor. Un alt posibil avantaj al metodei electroforetice în condiții de lipsă de greutate este legat de faptul că densitatea nu afectează separarea fazelor. În condiții terestre, densitatea depinde de vâscozitate, a cărei valoare poate fi modificată prin adăugarea unui număr mare de molecule mici sau a unei cantități mici de molecule mari la soluție. În imponderabilitate, această metodă de control al vâscozității unei soluții devine deosebit de convenabilă din cauza absenței forței lui Arhimede. Ca rezultat, devine posibil să se controleze vâscozitatea mediului ca parametri independenți care nu sunt legați de densitate. Desigur, această posibilitate nu poate fi realizată pe Pământ.
Cu scopul de a verifica direct aceste concluzii în condițiile spațiale, oamenii de știință din Germania de Vest și America au efectuat o serie de experimente efectuate la stația Skylab și în timpul zborului comun al sondei Soyuz și Apollo. Într-un experiment la Skylab, a fost testat un dispozitiv în care un flux de fluid netulburat curgea între două plăci cărora li sa aplicat un câmp electric. Particulele au fost introduse în soluție la un capăt al dispozitivului și îndepărtate prin găurile situate la celălalt capăt. În condiții terestre, datorită amestecării curenților de convecție, distanța dintre plăci nu a putut fi mai mare de 1–2 mm. În condiții de spațiu, a fost posibilă creșterea acestuia la 5 - 10 mm. Acest rezultat a confirmat posibilitatea de a crește performanța instrumentului și de a îmbunătăți rezoluția acestuia.
În experiment, un dispozitiv de tip similar a fost folosit pentru a separa celulele sanguine și pentru a explora limitările impuse de convecție și decantarea particulelor. Prin reducerea influenței convecției, a fost posibilă creșterea adâncimii camerei și, ca urmare, creșterea productivității instalației de 6,5 ori. Puterea de rezoluție a crescut de 1,5 ori în comparație cu experimentele efectuate pe Pământ.
Într-un alt experiment, a fost studiată și posibilitatea obținerii de preparate biologice pure în condiții de convecție suprimată folosind exemplul celulelor sanguine și renale, în special, sarcina a fost de a izola urokenaza în forma sa pură. Urokenaza este singura enzimă produsă în corpul uman, care este capabil să dizolve cheagurile de sânge formate. Dacă este posibil să izolați enzima urokenaza în forma sa pură și să aflați procesul de producere a acesteia de către celulele renale, atunci va fi posibil să o produceți în cantități suficiente pe Pământ. Urokenaza este un mijloc eficient de combatere a tromboflebitei și a bolilor cardiovasculare precum atacul de cord, accidentul vascular cerebral etc. Potrivit rapoartelor, acest experiment a fost, de asemenea, realizat cu succes. În ansamblu, totuși, s-a lucrat mult mai puțin până acum în domeniul electroforezei decât în alte domenii ale cercetării tehnologiei spațiale.
Experimente tehnologice complexe
Pentru un studiu cuprinzător al caracteristicilor care apar în timpul proceselor fizice în imponderabilitate, precum și pentru a identifica perspectivele relative (pentru producția spațială) ale proceselor tehnologice specifice, este necesar să se treacă la efectuarea de studii experimentale în masă asupra navelor spațiale. tipuri variate. Starea curenta cercetarea și dezvoltarea în domeniul producției spațiale, aflată în desfășurare în Uniunea Sovietică, se caracterizează tocmai prin trecerea la această etapă.
program sovietic cercetare spatialaîn domeniul tehnologiei și producției prevede realizarea unor astfel de experimente complexe, iar aceasta va fi o nouă etapă în cercetarea și dezvoltarea oamenilor de știință sovietici în acest domeniu și, la rândul său, este determinată de succesele obținute în etapa anterioară. În special, un complex extins de experimente tehnologice de cea mai masivă natură a fost efectuat recent în timpul lansărilor de rachete la mare altitudine și în timpul zborului stației spațiale orbitale Salyut-6 cu cosmonauți la bord. Realizate ca parte a unui singur program de cercetare, aceste experimente s-au completat reciproc.
La 27 decembrie 1977, în Uniunea Sovietică a fost lansată o rachetă de mare altitudine, ceea ce a făcut posibilă efectuarea simultană a mai multor zeci de experimente tehnologice diverse. Pentru implementarea lor a fost dezvoltat un set special de dispozitive tehnologice - SKAT, în care căldura reacțiilor chimice exoterme a fost folosită pentru încălzirea și topirea substanțelor studiate. Probele studiate au fost plasate în fiole, care au fost instalate de-a lungul axei celulelor de încălzire cilindrice.
Durata stării de imponderabilitate în acest experiment a fost de aproximativ 10 minute. Prin urmare, pentru a asigura o solidificare suficient de rapidă a substanțelor topite înainte de încetarea stării de imponderabilitate (când racheta intră în straturile dense ale atmosferei), s-a folosit un sistem special de eliberare a căldurii. Ea a lucrat pe principiul „buretelui termic”, bazat pe îndepărtarea căldurii eliberate într-o clemă masivă de aluminiu.
Masa totală a setului de instrumente SKAT (împreună cu sistemul de eliberare a căldurii) a fost de 137 kg. În diferite fiole, în funcție de sarcina experimentului, s-au obținut diferite temperaturi. Gama de temperaturi maxime realizate folosind echipamentul SKAT a fost 600–1700°C.
Programul de experimente desfășurat folosind kitul SKAT a inclus studiul unei game largi de substanțe: materiale compozite, metale spumoase, aliaje speciale și semiconductori. Pentru a crește fiabilitatea rezultatelor, aproape toate experimentele au fost duplicate.
Efectuarea de experimente tehnologice de natură complexă a fost inclusă în programul de lucru desfășurat de cosmonauții sovietici pe complexul de cercetare orbitală Salyut-6 - Soyuz-27.
11 ianuarie 1978 Cosmonauții Yu. V. Romanenko și G. M. Grechko, care au sosit la stația Salyut-6 de pe nava spațială Soyuz-26, li s-au alăturat echipajul navei spațiale Soyuz-27 - cosmonauții V. A. Dzhanibekov și O. G Makarov, care s-au întors ulterior la Pământul cu ajutorul navei spațiale Soyuz-26. Vehiculul de coborâre al navei spațiale Soyuz-26 a livrat pe Pământ materiale cu rezultatele cercetărilor și experimentelor în timpul zborului stației orbitale Salyut-6 timp de mai mult de trei luni.
La 22 ianuarie 1978, a fost efectuată andocarea cu complexul de cercetare cu echipaj „Salyut-6” - „Soyuz-27” al vehiculului de transport automat de marfă „Progress-1”. Pentru prima dată în istoria cosmonauticii, a fost efectuată o operațiune de transport folosind o navă spațială automată pentru a livra echipamente, echipamente și materiale către o stație orbitală cu echipaj pentru a asigura viața și conduita echipajului. cercetare științificăși experimente, precum și combustibil pentru realimentarea sistemelor de propulsie.
Cu ajutorul Progress-1, echipamentul a fost livrat la stația Salyut-6, care a fost, de asemenea, concepută pentru a efectua un ciclu de experimente tehnologice. În special, include instalația Splav-01, care constă dintr-un cuptor electric de încălzire tip fiole și un mic computer conceput pentru controlul automat al regimului termic. Cavitatea interioară a cuptorului are trei zone: cu temperaturi ridicate și scăzute, iar între ele - cu o diferență de temperatură (temperatura maximă este de aproximativ 1000 °C). Designul cuptorului face posibilă efectuarea experimentelor simultan cu trei fiole umplute cu substanțe de testat.
Începând pregătirea experimentelor tehnologice, Yu. V. Romanenko și G. M. Grechko au plasat cuptorul în camera de blocare din compartimentul de lucru al stației Salyut-6, prin care echipajul aruncă deșeurile menajere (camera are două trape - una conduce în interiorul stației, celălalt - în spațiul înconjurător). Apoi cosmonauții au conectat ecluza la panoul de control instalat în interiorul stației prin conectori speciali ermetici. După aceea, trapa interioară a camerei a fost închisă și trapa exterioară a fost deschisă, astfel încât cuptorul să fie în vidul spațiului. Astfel de condiții de funcționare ale cuptorului au fost alese pentru a asigura îndepărtarea căldurii din acesta prin radiație direct în spațiul exterior înconjurător.
După ce au terminat pregătirea echipamentului, la 14 februarie 1978, cosmonauții Yu. V. Romanenko și G. M. Grechko au început primul experiment tehnologic. În același timp, stația a fost trecută în modul drift (la care motoarele sistemului de control al atitudinii sunt oprite) pentru a reduce efectul accelerațiilor mici pe parcursul experimentului. În același scop, o parte semnificativă a experimentului a fost efectuată în timp ce cosmonauții dormeau. Fiolele instalate în cuptorul electric în primul experiment tehnologic conţineau compuşi cupru-indiu, aluminiu-magneziu şi antimoniură de indiu.
Pe 16 și 17 februarie, la stația Salyut-6 a fost efectuat al doilea experiment tehnologic, care a durat 31 de ore și a studiat reacțiile dintre wolfram solid și aluminiul topit, precum și procesul de impregnare a molibdenului poros cu galiu lichid. Experții sugerează că acest din urmă material poate avea proprietăți supraconductoare.
O nouă etapă în desfășurarea programului de experimente tehnologice pe stația orbitală Salyut-6 a fost asociată cu zborul cu succes al navei spațiale Soyuz-28, pilotată de primul echipaj internațional format din pilotul-cosmonautul URSS A. A. Gubarev și un cosmonaut. -cercetător, cetăţean al Cehoslovaciei V. Remeka.
La 3 martie 1978, nava spațială Soyuz-28 a fost andocata cu complexul orbital Salyut-6 - Soyuz-27. Cosmonauții A. A. Gubarev și V. Remek au livrat complexului de cercetare orbitală o capsulă realizată la Institutul de fizică a stării solide al Academiei de Științe din Cehoslovacia, care conținea două fiole umplute cu mostre de cloruri de argint și plumb și clorură de cupru monovalentă. Aceste substanțe au fost alese pentru că au proprietăți optico-acustice valoroase. Clorura cuproșă este un material electro-optic bine cunoscut, iar clorura de argint este utilizată pe scară largă în echipamentele de detectare în infraroșu. Experimentul comun sovieto-cehoslovac cu aceste substanțe a fost numit Morava.
Începând acest experiment tehnologic la 4 martie 1978, cosmonauții au plasat ambele fiole cu substanțele de testat în cuptorul electric al instalației Splav-01, plasându-le într-o zonă cu diferență de temperatură. Temperatura maximă de funcționare a cuptorului în acest experiment a fost de aproximativ 500 °C, iar durata totală a procesului de recristalizare a probelor după topire a atins aproximativ 40 h. structurile substanțelor studiate în comparație cu probele martor obținute pe aceeași. instalat în condiții terestre.
În timpul experimentului, cosmonauții au controlat funcționarea computerului instalației Splav-01, care a asigurat menținerea regimului de temperatură specificat. După finalizarea experimentului Morava, capsula cu substanțele studiate a fost ambalată și livrată de A. A. Gubarev și V. Remek pe Pământ.
Experimentul „Morava” marchează începutul unei noi domenii de cercetare spațială comună a țărilor socialiste participante la programul „Interkosmos”. Experimentele tehnologice sunt acum adăugate cercetărilor în domeniul fizicii spațiale, meteorologiei, biologiei și cercetării asupra resurselor naturale ale Pământului. În zborurile ulterioare ale echipajelor internaționale vor fi continuate experimentele tehnologice. În special, programul Interkosmos prevede lansări în 1978 de nave spațiale Soyuz, ale căror echipaje vor include reprezentanți ai polonez. Republica Popularăși Republica Democrată Germană. Ca parte a unui program unificat de cercetare și experimente științifice și tehnologice la bordul complexului științific orbital bazat pe stația Salyut-6, cosmonauții din țările socialiste vor trebui să îndeplinească sarcini de volum și complexitate crescânde.
Perspective pentru dezvoltarea producției spațiale
Primele experimente tehnologice în spațiu au fost efectuate cu doar câțiva ani în urmă. Și deși a trecut foarte puțin timp de atunci, cercetările și experimentele spațiale efectuate în URSS și în străinătate au făcut posibilă obținerea de rezultate științifice și tehnice, pe baza cărora este posibil să se facă o evaluare preliminară a perspectivelor pentru producerea de noi materiale în spațiu. Care sunt principalele concluzii care se pot trage analizând rezultatele experimentelor efectuate până în prezent?
În general, ideile generale despre caracteristicile proceselor fizice în imponderabilitate sunt confirmate, dar, în același timp, insuficiența multor modele teoreticeși arată nevoia unor cercetări speciale care să vizeze dezvoltarea fundamentelor teoretice ale producției spațiale. S-a confirmat experimental posibilitatea de a obține în spațiu monocristale semiconductoare, aliaje speciale, materiale compozite și alte materiale cu caracteristici îmbunătățite, precum și astfel de substanțe, care nu pot fi obținute pe Pământ. S-a confirmat direct posibilitatea de a îmbunătăți rezoluția și creșterea productivității instalațiilor de separare electroforetică a preparatelor biologice.
Acestea sunt cele mai generale rezultate ale a aproximativ 60 de experimente efectuate până în prezent pe diverse nave spațiale din URSS și din străinătate. Și, deși s-au făcut deja multe, mai sunt încă de făcut înainte ca producția spațială să devină o ramură independentă eficientă din punct de vedere economic a economiei naționale. Să notăm cele mai importante sarcini care trebuie rezolvate pentru a asigura atingerea acestui obiectiv.
În primul rând, este necesar să se treacă de la experimente efectuate pe instrumente relativ simple la studii experimentale extinse folosind facilități specializate la bord, care să țină cont pe deplin de caracteristicile specifice muncii în spațiu și care să permită valorificarea la maximum a avantajelor asociate cu aceste caracteristici.. Sarcina de a crea astfel de instalații este una dintre priorități. În al doilea rând, este necesar să se efectueze studii cuprinzătoare ale influenței factorilor de zbor spațial - și în primul rând, imponderabilitate - asupra regularităților proceselor fizico-chimice din materie pentru a identifica modurile optime de procese tehnologice pentru obținerea de noi materiale la bordul navelor spațiale. În al treilea rând, este necesar să se asigure dezvoltarea fundamentelor teoretice ale producției spațiale, inclusiv dezvoltarea unor metode de simulare numerică a proceselor în materie.
Scopul final al cercetării în domeniul producției spațiale este transformarea acesteia într-o industrie promițătoare, care să asigure o eficiență tehnică și economică suficient de ridicată. Datorită costului ridicat al zborurilor spațiale, este rentabil să se producă în spațiu numai produse unice și scumpe, a căror nevoie anuală este relativ mică (kilograme sau zeci de kilograme în prezent, sute sau mii de kilograme după crearea unui transport eficient reutilizabil). nave spaţiale). Prin urmare, pentru a determina corect perspectivele și modalitățile de dezvoltare ulterioară a muncii în domeniul producției spațiale mare rol joacă studiul eficienței sale tehnice și economice.
Se ia în considerare posibilitatea producerii în spațiu a cristalelor de granat utilizate în elementele de memorie ale computerelor pentru a le îmbunătăți caracteristicile. Cererea pentru aceste cristale în anii 1980, conform datelor străine, va fi caracterizată printr-un cost de peste 1 miliard de dolari.Dacă o parte din aceste nevoi este acoperită de producția spațială, aceasta va oferi și economii tangibile de costuri. Dacă este posibil să se organizeze producția anumitor materiale în spațiu, de exemplu, noi aliaje supraconductoare cu o temperatură critică crescută sau sticlă optică pentru lasere de mare putere, acest lucru va revoluționa literalmente ramuri întregi ale tehnologiei.
O atenție deosebită merită cercetări care vizează organizarea producției în spațiu de preparate biomedicale și farmaceutice noi sau îmbunătățite. Experimentele de succes privind obținerea enzimei urokenaze, efectuate în timpul zborului navei spațiale Soyuz-Apollo, indică faptul că se pot aștepta noi rezultate importante în această direcție. Munca continuă în acest domeniu important poate aduce o contribuție tangibilă la dezvoltarea asistenței medicale și poate oferi un efect economic semnificativ. Potrivit experților străini, până în anul 2000 vor fi produse anual în spațiu până la 30 de tone de preparate biologice (enzime, vaccinuri etc.) cu un cost total de aproximativ 17 miliarde de dolari.
Progresele în tehnologia rachetelor și spațiale l-au înarmat pe om cu un nou factor pe care îl poate folosi în activitățile sale de producție - o lungă stare de imponderabilitate. Este posibil să ne îndoim că contemporanii noștri - oameni de știință, ingineri, designeri, tehnologi - vor putea pune acest factor în slujba omenirii? Întreaga experiență a istoriei științei și tehnologiei indică faptul că acest lucru se va întâmpla cu siguranță.
Cu toate acestea, nu trebuie să credem că o astfel de concluzie deschide automat perspective fără nori pentru dezvoltarea viitoare a producției spațiale. Dimpotrivă, presupune necesitatea unor studii mai aprofundate asupra întregii probleme, realizate în cadrul unui singur program de natură cuprinzătoare. Nu există nicio îndoială că tocmai această abordare va asigura dezvoltarea rapidă a unei noi zone de activitate umană în spațiul cosmic - producția de noi materiale în spațiul cosmic.
Literatură
Grishin S.D., Pimenov L.V. Calea către fabricile din orbite. - Izvestia, 1976, 12 august.
Avduevskiy V. S., Grishin S. D., Pimenov L. V. Spre fabricile orbitale ale viitorului. - Pravda, 1977, 20 februarie.
Belyakov I. T., Borisov Yu. D. Tehnologia în spațiu. - „Inginerie”, 1974.
Imponderabilitate. Fenomene fizice și efecte biologice. M., Mir, 1964.
Khaikin S. E. Forțe de inerție și imponderabilitate. M., „Nauka”, 1967 (()
12
Un circuit integrat este un dispozitiv electronic, ale cărui elemente sunt conectate inseparabil structural și interconectate electric.
Primele experimente pentru obținerea de materiale în spațiu au început acum 50 de ani. În ultimii ani, principalele metode și abordări ale acestor studii nu s-au schimbat prea mult, dar obiectivele lucrării în această direcție au devenit complet diferite: de la căutarea de noi metale rezistente la căldură, oamenii de știință au trecut la cristale semiconductoare pentru solar. energie. Cercetătorii de la Universitatea din Houston se pregătesc pentru următorul experiment din această serie: la bordul Stației Spațiale Internaționale (ISS), vor să crească cristale cu o structură perfectă pentru panouri solare.
Cristalele semiconductoare stau la baza tuturor electronicelor și, desigur, există multe metode de obținere a acestora în condiții terestre. Din păcate, toate au dezavantaje comune: cristalele crescute se dovedesc adesea a fi neomogene, prea mici sau deteriorate de impurități străine. Există multe motive pentru acest lucru, dar printre ele există unul dintre cele mai generale de natură - forța de atracție. În condiții terestre, gravitația generează fenomenul de convecție termogravitațională, amestecarea lichidului sub influența diferenței de temperatură în câmpul gravitațional. În condiții de imponderabilitate cosmică, rolul acestui factor scade semnificativ și devine posibilă obținerea de cristale semiconductoare cu o structură mai pură și o compoziție perfectă.
Primele experimente de creștere a materialelor în spațiu au început la scurt timp după zbor. Gagarin, în 1961, iar rezultatele lor au fost adesea controversate. Astfel, cristalele de Ge(Ca) și InSb(Te) obținute în experimentele americane Skylab s-au caracterizat printr-o omogenitate structurală ridicată, în timp ce cristalele de la Apollo-Soyuz, dimpotrivă, s-au pierdut în fața omologilor lor terestre. Au fost invocate mai multe motive pentru astfel de defecțiuni: vibrații ale mecanismelor, microaccelerații reziduale (accelerația gravitațională la bordul navelor spațiale nu este strict nulă, contrar concepțiilor greșite populare), unele efecte de convecție care sunt imperceptibile sub gravitația terestră. Așa că a devenit clar pentru oamenii de știință că condițiile spațiale sunt mult mai complicate decât par la prima vedere, iar multe experimente au început să fie însoțite de simulări numerice. Ei au confirmat că este posibil să se obțină cristale cu o structură perfectă în spațiu, dar este extrem de dificil.
Prin urmare, următorul pas în studierea posibilităților de creare a cristalelor ideale a fost metoda modelării fizice. Cristalele semiconductoare sunt adesea obținute prin cristalizare direcțională. În linii mari, un creuzet cu o topitură încălzită a compoziției dorite este introdus treptat într-o regiune cu o temperatură scăzută, unde cristalele încep să crească. Pentru a slăbi fenomenul terestru de termogravitație în astfel de condiții, oamenii de știință au propus să nu miște topitura în sine, ci să creeze un câmp de temperatură în mișcare cu gradienți radiali mici de temperatură. Această abordare a făcut posibilă simularea condițiilor de spațiu pentru creșterea cristalelor și planificarea experimentelor în avans, economisind timp și material. Unul dintre cele mai izbitoare experimente de acest fel a fost realizat chiar de autorii articolului de recenzie. Cristalele semiconductoare GaSb(Te) au fost recristalizate în condiții terestre și la bordul navei spațiale Foton-M3. În ambele cazuri s-au obținut cristale omogene de înaltă puritate, în care s-au observat unele dependențe periodice ale proprietăților fizice de structură. În acest caz, perioada de dependență pentru probele spațiale a fost de 90 de minute (care coincide cu perioada de revoluție a satelitului), iar pentru probele de la sol a fost de 5-20 de minute.
Următorul experiment pentru obținerea de cristale semiconductoare în spațiu este planificat să fie efectuat încă din 2013. La bordul ISS, cercetătorii doresc să crească cristale cu o structură perfectă pentru panouri solare - așa că metodele deja dovedite găsesc noi aplicații practice. În același timp, rezultatele unor experimente similare, mai multe exotice, ajută la îmbunătățirea tehnologiilor solului.
Rezultatele lucrărilor teoretice și experimentale privind creșterea cristalelor semiconductoare în spațiu sunt descrise în detaliu într-un articol de recenzie al fizicienilor ruși de la FTI. A. F. Ioffe al Academiei Ruse de Științe și al Centrului de Cercetare „Știința Materialelor Spațiale” . Publicația este plasată pe paginile revistei „Physics of Solid State” . Materialele pentru revizuire au fost atât numeroase rezultate ale cercetării autorilor înșiși, cât și cele mai izbitoare lucrări ale colegilor lor străini.
© I. Zh. Bezbakh, V. I. Strelov și B. G. Zakharov
© Muzeul de Stat de Istorie a Cosmonauticii. K.E. Ciolkovski, Kaluga
Secțiunea „K.E. Tsiolkovsky și problemele producției spațiale”
2004
Una dintre domeniile importante atât ale biotehnologiei terestre, cât și ale biotehnologiei spațiale este obținerea de cristale de biomacromolecule pentru a determina structura lor spațială prin metode cristalografice și pentru a utiliza în continuare informațiile obținute în scopuri biologice, medicale și industriale.
În ultimele decenii, s-au obținut rezultate pe sute de macromolecule și mii de cristale ale acestora, tehnicile de cristalizare au fost îmbunătățite semnificativ, știința creșterii cristalelor de biomateriale din empiric devine din ce în ce mai precisă. Cu toate acestea, producția stabilă de biocristale de o dimensiune și omogenitate adecvate pentru cercetare este încă o problemă în întreg acest proces. Până în prezent, aproximativ 35% din cristalele de proteine cultivate comercial în condiții de spațiu s-au dovedit a fi de o calitate structurală mai mare decât cele obținute în condiții similare pe Pământ. În imponderabilitate, a fost posibil să se obțină biocristale care sunt superioare ca volum și rezoluție față de oricare dintre omologii lor terestre. Cu toate acestea, restul de 65% dintre cristale, contrar prognozelor, s-au dovedit a fi de o calitate mai proastă decât omologii lor terestre.
În acest sens, este important să se determine care factori sunt determinanți în ceea ce privește calitatea biocristalelor obținute. Datorită forțelor slabe de legătură dintre moleculele din biocristale, influența atât a condițiilor externe, cât și a factorilor interni asupra procesului de cristalizare poate fi decisivă. De obicei, se consideră că este necesară o tranziție la condiții pur de difuzie. Acest lucru este pe deplin realizabil atunci când se efectuează experimente în imponderabilitate.
Principalul punct negativ care afectează procesul de cristalizare a biomaterialelor pe Pământ este următorul: în condiții terestre, pe lângă transferul de masă prin difuzie, este tipică apariția fluxurilor convective în soluție, care, dacă sunt mari, pot avea un efect extrem de negativ. efect asupra proceselor de creștere și a calității cristalelor rezultate. Se poate observa și precipitarea cristalelor, care perturbă simetria furnizării lor de biomaterial dizolvat și le afectează forma. În același timp, încercările de a realiza cristalizarea biomaterialului în diverse moduri datorită mecanismului exclusiv de difuzie duce la o creștere semnificativă a timpului necesar experimentului și o scădere a stabilității condițiilor experimentale.
În condiții de spațiu, aceste neajunsuri sunt eliminate. Cu toate acestea, efectele vibraționale încep de obicei să își aibă efectul, mai ales semnificativ la bordul Stației Spațiale Internaționale. În același timp, sunt importante modalitățile de influență a acestora și mecanismele de compensare a acestora.
Studierea ulterioară a procesului de cristalizare a biomaterialelor pentru a-l înțelege mai bine, îmbunătățirea metodelor și echipamentelor de cristalizare, reducerea influenței condițiilor externe asupra procesului etc. vor face posibilă efectuarea de experimente spațiale cu obținerea de biocristale perfecte.
Dacă tu însuți ești un om de știință sau doar o persoană curios și te uiți sau citești adesea ultimele stiriîn știință sau tehnologie. Pentru tine am creat o astfel de secțiune, care acoperă cele mai recente știri mondiale în domeniul noutății descoperiri științifice, realizări, precum și în domeniul tehnologiei. Doar cele mai recente evenimente și numai surse de încredere.
În timpul nostru progresiv, știința se mișcă într-un ritm rapid, așa că nu este întotdeauna posibil să ținem pasul cu ei. Unele dogme vechi se prăbușesc, unele noi sunt prezentate. Omenirea nu stă pe loc și nu ar trebui să stea pe loc, iar motorul omenirii sunt oamenii de știință, oamenii de știință. Și în orice moment se poate produce o descoperire care nu numai că poate uimi mințile întregii populații globul dar și să ne schimbe fundamental viețile.
Un rol special în știință este alocat medicinei, deoarece o persoană, din păcate, nu este nemuritoare, fragilă și foarte vulnerabilă la tot felul de boli. Mulți oameni știu că în Evul Mediu oamenii trăiau în medie 30 de ani, iar acum 60-80 de ani. Adică speranța de viață cel puțin dublată. Acest lucru a fost influențat, desigur, de o combinație de factori, dar medicina a jucat un rol important. Și, cu siguranță, 60-80 de ani pentru o persoană nu reprezintă limita vieții medii. Este posibil ca într-o zi oamenii să treacă peste 100 de ani. Oamenii de știință din întreaga lume luptă pentru asta.
În domeniul altor științe, dezvoltări sunt în continuă desfășurare. În fiecare an, oameni de știință din întreaga lume fac mici descoperiri, îndreptând încet omenirea înainte și îmbunătățindu-ne viața. Locuri neatinse de om sunt explorate, în primul rând, desigur, pe planeta noastră natală. Cu toate acestea, munca are loc constant în spațiu.
Dintre tehnologie, robotica se grăbește mai ales înainte. Se creează un robot inteligent ideal. Cândva, roboții erau un element de fantezie și nimic mai mult. Dar deja în acest moment, unele corporații au în personal roboți adevărați, care îndeplinesc diverse funcții și ajută la optimizarea forței de muncă, economisește resurse și efectuează activități periculoase pentru o persoană.
De asemenea, aș dori să acord o atenție deosebită calculatoarelor electronice, care acum 50 de ani ocupau o cantitate mare locurile erau lente și necesitau plecarea unei întregi echipe de angajați. Și acum o astfel de mașină, în aproape fiecare casă, este deja numită mai simplu și pe scurt - un computer. Acum nu sunt doar compacte, ci și de multe ori mai rapide decât predecesorii lor și oricine își poate da seama. Odată cu apariția computerului, umanitatea a deschis o nouă eră, pe care mulți o numesc „tehnologică” sau „informațională”.
Amintindu-vă de computer, nu uitați de crearea Internetului. De asemenea, a dat un rezultat uriaș pentru umanitate. Aceasta este o sursă inepuizabilă de informații, care este acum disponibilă aproape tuturor. Conectează oameni de pe diferite continente și transmite informații cu viteza fulgerului, era imposibil să visezi la așa ceva acum 100 de ani.
În această secțiune, veți găsi cu siguranță ceva interesant, interesant și informativ pentru dvs. Poate că într-o zi vei fi unul dintre primii care vor afla despre o descoperire care nu numai că va schimba lumea, dar îți va întoarce mintea peste cap.
După ce și-au încheiat cu succes misiunea de cercetare în primăvara lui 2013, a venit rândul lui „Photon”. În exterior, navele spațiale sunt frați gemeni. Dar mai departe sarcini științifice diferă. „Foton-M” numărul 4 este conceput pentru a efectua experimente pe orbită în domeniul tehnologiei spațiale pentru producerea de semiconductori în microgravitație, biotehnologie pentru a obține noi cunoștințe în fizica imponderabilității. „Photonul” va intra pe orbită într-o săptămână.
LA Viata de zi cu zi nici nu credem că sarea, zahărul, metalele, pietrele prețioase sunt toate cristale. Astăzi, niciun dispozitiv electronic nu se poate descurca fără ele.
„Prima plantă spațială pentru creșterea cristalelor. În 1976, pe ea au fost cultivate cristale de aluminiu-potasiu la stația Salyut-5. Nu au fost necesare condiții speciale pentru creșterea lor, nici temperaturi speciale, nici presiune, oamenii de știință trebuiau să vadă cum lipsește. gravitația afectează rețeaua cristalină. Și, se pare, altceva a mai rămas aici de atunci", Ksenia Zima examinează conținutul instalației spațiale pentru creșterea cristalelor.
Studiile privind creșterea cristalelor pe orbită au arătat că proteinele cresc cel mai bine acolo.
", una dintre sarcini este de a obține un cristal foarte curat, de a obține un cristal omogen. Pentru proteine, suprimarea convecției este un factor favorabil. În spațiu, mișcarea lichidului este suprimată, astfel încât acestea cresc mai bine acolo", explică. Alexei Voloshin, director adjunct al Institutului de Cristalografie al Academiei Ruse de Științe.
La Baikonur, instalarea echipamentelor științifice în nava spațială „Photon-M” a fost finalizată. Începutul vine în curând. La bordul satelitului se află instrumente pentru zeci de experimente în cristalografie, știința materialelor, biologie și microbiologie. Și aceasta este doar o parte din indicații. Într-un cuvânt, „Photon” este un grup de idei științifice.
"Unicitatea este că "Fotonii" anteriori nu au zburat cu noi mai mult de 20 de zile. Acest zbor este planificat pentru 60 de zile. Acesta este primul. În al doilea rând, această navă spațială are un sistem de propulsie, putem ridica dispozitivul la un orbită mai înaltă. Vom zbura la o altitudine de 500 de kilometri", a declarat Valery Abrașkin, șeful rachetei și centrului spațial TsSKB-Progress.
Cu cât este mai mare, cu atât mai bine, spun oamenii de știință. 500 de kilometri – aproape de spațiu: atmosfera nu mai afectează atât de mult, gravitația foarte slabă, ceea ce înseamnă că puritatea experimentelor va fi mare.
"Zburăm 22 de tipuri de echipamente pe această navă spațială. Fiecare echipament are mai multe experimente. Adică, am încercat să aranjam nava spațială în așa fel încât oamenii de știință din diverse domenii de cercetare să-și poată realiza experimentele și să obțină informațiile științifice necesare." a continuat Valeri Abrașkin.
În exterior, „Photon” este similar cu aparatul biologic științific „Bion”. Frați gemeni. O capsulă rotundă, care este umplută cu instrumente științifice. La întoarcerea din spațiu, nu arde în atmosferă, toate experimentele se întorc pe Pământ.
Spre deosebire de Photon, biosateliții au un sistem de susținere a vieții. Se menține o anumită temperatură, presiune, nivel de oxigen, deoarece principalii pasageri ai Bionului sunt organisme vii. „Fotonii” nu transportă pasageri; oamenii de știință efectuează experimente tehnologice asupra lor.
"Sarcina utilă este unul dintre dispozitivele de cristalizare a proteinelor care vor zbura pe Foton. Dispozitivul se bazează pe principiul contra-difuziei unui lichid", spune Alexei Voloshin.
Este pe orbită că este posibil să se obțină mai precise structuri proteice. Pentru farmaciști, acesta este de mare ajutor în crearea de noi medicamente eficiente.
"Dacă este o proteină a unei bacterii dăunătoare, atunci este selectată o substanță care ar trebui să suprime structura acestei proteine. Dacă proteina îndeplinește o funcție utilă, ei selectează o substanță care ar trebui să îmbunătățească această funcție", spune Alexei Voloshin, director adjunct. al Institutului de Cristalografie al Academiei Ruse de Științe, despre esența experimentelor.
Stomatologi adevărați lucrează într-un alt laborator. Găurile de bazalt, în care se află microorganismele, sunt sigilate. Plăcile cu microbi vor fi atașate la exteriorul navei Photon.
Bacteriile vor trebui să reziste radiațiilor cosmice, iar la întoarcere - temperaturi ridicate. Dacă nu vor muri - susținătorii teoriei panspermiei - că meteoriții au semănat viață pe Pământ - vor avea un argument puternic.
"După plantare, bazaltul încălzit este scos și apoi se uită să vadă dacă microorganismele au supraviețuit. Așa este testată teoria panspermiei", spune Vladimir Sychev, director adjunct al Institutului de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe. .
Speciali au fost selectați microbi, care vor rezista la temperaturi gigantice de sute de grade. Adevărat, un astfel de experiment nu a funcționat pentru colegii străini - bacteriile au murit. Cu toate acestea, rezultatul negativ i-a inspirat doar pe microbiologii noștri.
"Noi, inspirați de experiența colegilor noștri europeni, am decis să extindem spectrul de microorganisme. Împreună cu Institutul de Microbiologie al Academiei Ruse de Științe Medicale, am creat o colecție a acelor culturi și asociații care ar putea fi aduse pe Pământ ca parte din meteoriți”, a spus Vyacheslav Ilyin, șeful laboratorului de la Institutul de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe.
Pentru prima dată pe acest „Foton” va fi încălcată regula principală: nu transportați animale. Pe nava spațială în cabina lui special echipată.
„Această specie trăiește pe insula Mauritius, principalele motive pentru care a fost aleasă această specie, dimensiunea mică și cea mai Motivul principal că această specie se poate descurca fără hrană vie, ceea ce le va permite să existe perfect timp de 2 luni”, subliniază Rustam Berdiev, cercetător de frunte la Institutul de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe.
Principala caracteristică a acestor animale, care a atras oamenii de știință, gecoșii se pot agăța de orice suprafață. Prin urmare, în gravitate zero, ei nu zboară, ci își trăiesc viața obișnuită și se simt grozav. Ei bine, dacă doar în timpul startului vor fi aruncați puțin.
„Se fixează la suprafață, sunt de multe tipuri, unele au ventuze speciale sau cârlige mici pe labe, se lipesc de orice suprafață, pentru ei suprafața este mai importantă decât gravitația. Se lipesc de suprafața pereților și nu nu experimentăm stresul de flotație. Așa că, pentru prima dată în istorie, am reușit să scăpăm de stres", a declarat Serghei Solovyov, șeful laboratorului de la Institutul de Cercetare a Morfologiei Umane.
Numeroase experimente pe gecoși au sugerat oamenilor de știință cum să facă față impactului negativ al imponderabilitatii asupra oamenilor. Dintr-o ședere lungă pe orbită, astronauții sunt spălați de calciul din organism. Acest lucru nu a fost observat la gecoși.
"S-a dovedit că modelul clasic este demineralizarea scheletului, s-a dovedit, gecoși care se pot atașa la suprafață. Acest lucru le salvează oasele de demineralizare. Geckos au arătat modul în care trebuie să ne dezvoltăm în continuare pentru a reduce demineralizarea scheletului astronauților”, notează Serghei Solovyov.
Trimiterea vehiculelor în spațiu doar de dragul științei a început acum 40 de ani. De atunci, au fost lansați zeci de sateliți. Pe orbită erau maimuțe, șoareci, pești. Și fiecare astfel de zbor este încă un pas către visul prețuit al omenirii - zborurile interplanetare.
