Космическое материаловедение

Подготовка электронагревательной печи к плавке

Сутью промышленной революции, происшедшей в конце XVIII - начале XIX века, была замена ручного труда машинным. Правда, немало видов физического труда сохраняется и по сей день, но на него теперь уже наступает научно-техническая революция, внедряя промышленные роботы. Робот - это не просто машина, а машина во многом самостоятельная, самодействующая. Она воплощает другую суть нынешней революции в мире производства - освобождение человека от некоторых умственных и физических операций, передаваемых теперь машине (такой процесс получил название кибернетизации производства).

Новая промышленная революция, пусть и неблизкая, но признаки которой уже видны внимательному наблюдателю, имеет прямое отношение к освоению и использованию космоса. Она означает коренную перемену самих условий производства, производственной среды (при безусловном сохранении и развитии достижений прежних революций и, прежде всего, при освобождении человека от чрезмерных физических нагрузок и от некоторых функций по управлению производством). Эффект невесомости, о котором мы уже много говорили, глубокий естественный вакуум, сверхнизкие температуры любого «теневого» пространства и обильная энергия Солнца в пространстве освещенном - вот основные из этих новых условий производства.

Хорошо известен, хотя и не всегда осознается нами, такой факт: практически все материалы, которые люди используют для изготовления нужных им вещей, прошли через жидкое или газообразное состояние, в недрах Земли были расплавлены минералы и горные породы; расплавленным металлом были когда-то многие предметы, окружающие нас. На оба эти состояния - жидкое и газообразное - решающим образом воздействуют на нашей планете ее гравитационные силы. Не только рождение всего сущего на Земле совершается в условиях тяготения. Всепроникающая сила тяжести вмешивается и в технологические процессы, связанные с расплавлением и испарением вещества. Легкие слои жидкостей и газов всплывают над тяжелыми, примеси неравномерно распределяются в расплавах. Поэтому из металлов разной плотности трудно изготовить однородные сплавы, сложно добиться от полупроводника идеально равномерной структуры. А все это необходимо современной технике и производству.

И вот в наше время возникает новая отрасль - пока не промышленная, а научная, именуемая космическим материаловедением. Однако наука все больше становится непосредственной производительной силой и материаловедение превращается в материалоизготовление, уже сейчас приобретающее не только научное, но и прямое промышленное значение. Так, изготовленные в космосе монокристаллические полупроводники вполне пригодны для земной электронной техники, с той лишь разницей, что на Земле такие полупроводники изготовить гораздо труднее.

В космосе открывается возможность получать вещества с улучшенными свойствами, осваивать технологические процессы, невозможные в земных условиях. Ученые предполагают, что на космической орбите можно получить около 500 новых материалов из веществ, которые на Земле соединить не удается.

На станциях «Салют» плавки металла стали обычным делом. Их вели в электронагревательных печах. На Земле приготавливали специальную смесь, запаивали ее в ампулу, доставляли в космос, помещали в нагреватель, расплавляли, а затем охлаждали по специальной программе. И плавку, и охлаждение надо провести таким образом, чтобы получился полупроводниковый кристалл с однородной структурой.

Такие кристаллы очень нужны современной радиопромышленности, оптике, медицине, научному приборостроению. Их используют для создания транзисторных радиоприемников, магнитофонов, миниатюрных информационных и управляющих устройств (микропроцессоров), которым «начиняют» роботов и которые со временем войдут и в наш быт, чтобы помочь каждому человеку получить доступ к огромному объему информации научно-технического, общеобразовательного, прикладного характера.

Ценнейший материал для многих отраслей науки и техники - это так называемый КРТ, полупроводник, состоящий из кадмия, ртути и теллура. Он идет на изготовление приемников теплового излучения, используемых в физике, технике, медицине. Например, для ранней диагностики некоторых заболеваний, в том числе рака, очень удобен прибор, иногда называемый тепловизором. Он делает видимым тепловое излучение человеческого тела. По этому изображению врачи умеют находить нарушения в организме, будущие очаги серьезных заболеваний.

Чтобы получить КРТ нужного качества на Земле, плавку и охлаждение материала ведут подолгу, иногда до полугода. При этом полезный выход продукции, то есть отношение конечного продукта к его исходным компонентам, не очень высокий. Космонавты же добиваются хороших результатов не за многие месяцы работы, а всего за 130 часов. Они получили монокристалл КРТ, в котором однородный материал составляет 50 процентов общей его массы.

Некоторые кристаллы в невесомости растут с головокружительной скоростью. Монокристаллы германия и кремния, например, увеличиваются на один сантиметр в минуту! Возможно, в будущем панели солнечных батарей будут не строиться или монтироваться, а выращиваться прямо в космическом полете. В целом же перед нами вырисовывается космическая отрасль, которую можно назвать «кристаллоиндустрией» и которая обещает такой размах, какой совершенно немыслим в земных условиях.

С надеждой смотрят в космос не только металлурги или специалисты по изготовлению полупроводников, но и стекловары, для которых земное тяготение тоже серьезная помеха. Им тоже приходится добиваться высокой внутренней однородности изделий и равномерности распределения примесей. А от примесей здесь зависит многое: добавьте в стекло тербий и церий, и оно может служить оптическим затвором, пропуская свет только в одну сторону; введите в него определенное количество соединений серебра - оно будет темнеть на свету и светлеть в тени; прибавка неодима позволит ему испускать лазерное излучение.

Космические условия помогут стекловарам и равномерно распределять в материале нужные присадки, и избавляться от нежелательных примесей. На Земле добиваться этого нелегко, даже соблюдая предельную «чистоплотность». При высокой температуре варки стекла (около полутора тысяч градусов) стенки сосудов загрязняют стекломассу. Чтобы избежать этого, плавку иногда ведут в платиновых тиглях. Но и это не выход из положения: даже платина порою загрязняет изделия, которые к тому же обходятся недешево, поскольку платина - драгоценный металл высшей категории.

В условиях невесомости можно будет вообще обойтись без тиглей. Раскаленная масса, плавающая в безопорном пространстве, будет удерживаться в нужном положении звуковыми волнами, распространяющимися в газовой среде внутри космического цеха и вполне достаточными, чтобы стабилизировать в пространстве «огненные шары». При этом можно будет пользоваться тугоплавкими добавками и получать изделия с такой поверхностью, которая не нуждается в механической обработке, сильно снижающей прочность стекла. Космонавты уже приступили к варке стекла на орбите. Проводились эксперименты со стекломассами различного типа - силикатной, баритной, фосфатной. Короче говоря, в космосе зарождается и стекольная промышленность.

Одной из важных отраслей космической индустрии обещает стать производство медикаментов и, в первую очередь, вакцин, которые применяются для лечения и предупреждения многих болезней - от гриппа до полиомиелита, от гепатита до холеры.

Технология получения вакцин основана на разделении веществ и их очистке в центрифугах и абсорбционных колоннах. Процесс этот очень трудоёмок и малопроизводителен: мешают те же законы гравитации, из-за которых вещества делятся на легкие и тяжелые, в то время как делить их необходимо по иным признакам. Существует, например, метод сортировки биологического материала - электрофорез (воздействие электрического поля). Но он не очень эффективен в условиях земной силы тяжести: разделяемые компоненты вещества оседают на дно резервуара, перемешиваются тепловыми потоками. Если речь идет о лабораторных исследованиях, эти трудности еще можно преодолеть, но в промышленных масштабах с ними справиться крайне трудно. Космический вариант электрофореза уже испробован и с успехом - например, Светланой Савицкой во время экспедиции посещения на станцию «Салют-7» в 1984 году.

Отходя от темы медицинской промышленности, но оставаясь в рамках медицинской тематики, заметим, что сегодня эффекты невесомости изучаются и с точки зрения лечения некоторых сердечно-сосудистых заболеваний. Специалисты полагают, что когда-нибудь люди научатся исцелять невесомостью многие недуги и на орбитах появятся клиники и санатории.