| Космонавтика Технология в космосе А. В. ЕГОРОВ, Технический центр «Сплав» Главкосмоса СССР |
ВОЗМОЖНОСТИ КОСМОСА
Помните, в США проводили конкурс среди детей. Надо было придумать космический эксперимент. Один мальчик предложил посмотреть, каким образом в невесомости будет плести свою паутину паук?
Предложенный школьником опыт может быть отнесен к экспериментам в области космической технологии, поскольку преследуемая цель — исследовать технологию плетения паутины в космосе. Интуитивно молодой исследователь предполагал, что в невесомости земная технология будет уже непригодна. Первые нити на Земле паук образует спускаясь с чего-нибудь, например, с ветки. А как это сделать в пространстве, где нет верха и низа? Надо «придумывать» новую технологию. И очень интересно, как паук справится с этой задачей...
Подобными вопросами задавались ученые-технологи, ставившие технологические эксперименты в космосе. В отличие от паука, который в невесомости растерялся и стал плести «неорганизованную» паутину, специалисты по космической технологии имели первоначальные представления, сформулированные еще К. Э. Циолковским. Но, конечно, вопросов было немало. Как будут расти кристалы в космосе? Что получится, если смешать не смешивающиеся на Земле расплавы различных металлов?..
Эксперименты на спутниках «Космос-1645», «Фотон» и специализированном модуле «Кристалл» — новый этап космической технологии. |
Другими словами, космическая технология как новая область человеческих знаний на первых порах изучала особенности протекания на борту космического аппарата производственных процессов, связанных с получением различных материалов.
В космосе многое не очень похоже на земные условия: иначе кипит вода, нет привычного бурления жидкости, а из носика чайника не вырывается струя пара. В космосе иначе горит свеча. На Земле нагретый пламенем воздух поднимается вверх, а ему на смену приходит свежий, богатый кислородом, необходимым для процесса горения. А в космосе, если искусственно не обеспечить приток свежего воздуха, свеча погаснет, израсходовав кислород вокруг фитиля.
В космосе при отсутствии силы тяжести начинают проявляться другие силы, например, молекулярные. Если жидкость смачивает стенки сосуда, то вылить ее оттуда в невесомости — проблема. И наоборот, если не смачивает — то она в сосуде как бы «парит», едва касаясь стенок, и при первой возможности стремится покинуть место своего заточения.
Примеры можно продолжить. Но то, о чем мы с вами говорили, относится все-таки к простым физическим явлениям. Их протекание в непривычных для нас условиях невесомости в какой-то мере логически предсказуемо. Другие же, более сложные процессы, например, рост кристаллов в невесомости, представить умозрительно в подробностях гораздо труднее. Здесь необходимы прямые эксперименты и накопление знаний.
На Земле невесомость можно создать лишь кратковременно. Многие из вас на мгновение испытывали ее: на автомобиле, когда дорога вдруг резко идет под уклон; на самолете, когда он попадает в «воздушную яму»... Космонавты в период тренировок обязательно летают на самолетах-лабораториях, где их приучают к невесомости в течение нескольких десятков секунд, пока самолет совершает специальный маневр — «горку», т. е. летит по баллистической кривой (близкой к параболе). В ходе этих полетов проводились и кратковременные технологические эксперименты. Они носили либо качественный, либо демонстрационный характер.
По-настоящему же исследовать процессы в невесомости можно только в космосе, на ракетах-зондах, спутниках, орбитальных станциях.
НУЖНА ЛИ КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ?
Возникает естественный вопрос, для чего нужны технологические исследования в космосе? Для того, чтобы удовлетворить любопытство ученых. Но ведь провести эксперимент в космосе стоит очень дорого. Оправданы ли такие траты? Ответ однозначен — оправданы. Космоc (и только космос!) предоставляет нам уникальные физические условия, недостижимые на Земле. В этих условиях открывается возможность производить новые, еще невиданные по своим свойствам материалы, либо такие, производство которых на Земле чрезвычайно сложно и дорого. Конечно, речь идет не о тоннах и может быть даже не сотнях килограммов производимых материалов. По крайней мере в ближайшие десятилетия это вряд ли реально. Космическая техника еще не достигла такого уровня. Разговор может идти пока лишь об изготовлении уникальных образцов материалов, появление которых даст новый импульс развитию науки и техники, будет стимулировать технический прогресс. В этом случае будет оправдана высокая себестоимость такого материала.
Уже сейчас в условиях земной технологии некоторые «рекордные» образцы материалов, например, кристаллы полупроводников оцениваются по нескольку миллионов долларов за килограмм. За такую цену вполне реально окупить затраты, связанные с запуском космического объекта, его эксплуатацией в космосе и возвращением готовой продукции на Землю. Следовательно, можно реализовать рентабельное космическое производство. Но, безусловно, решение этой задачи — дело будущего. Пока для этого не созрели условия. Во-первых, требуется более высокий уровень развития ракетно-космической техники. Необходимо создать специализированные длительно летающие космические платформы, относительно дешевые и энергетически хорошо оснащенные. На них будут работать небольшие автоматические технологические комплексы для получения тех или иных материалов. Необходимо наладить регулярный грузопоток: туда — исходного сырья, обратно — готовой продукции. Во-вторых, необходимы знания, какие материалы целесообразно производить в космосе, по какой технологии? Для этого нужно выполнить предварительно обширный комплекс научно-исследовательских теоретических и экспериментальных работ.
НАЧАЛО СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОРБИТЕ
В 70-х годах такие работы были начаты в стране и за рубежом. В числе первых экспериментов были те, что выполнялись еще во время совместного космического полета «Союз» — «Аполлон» и продолжены на орбитальных станциях «Салют-4», «Салют-6» и «Салют-7». Эти эксперименты носили поисковый характер. Опробывались различные технологические процессы, эксперименты проводились с самыми различными материалами: сплавами металлов, композиционными материалами, полупроводниками, стеклами.
Но вот в апреле 1985 г. в Советском Союзе был запущен спутник «Космос-1645». После завершения 13-суточного полета спускаемый аппарат спутника доставил на Землю технологические установки и образцы материалов, полученные в космосе. Начиная с этого момента такие запуски стали ежегодными. С 1988 г. спутник получил название «Фотон». В апреле 1990 г. из космоса после 16-суточного полета вернулся очередной спутник «Фотон-6». На его борту, также как и на борту предыдущего «Фотона-5», в космос наряду с советской аппаратурой летала и аппаратура, созданная специалистами Франции. Расходы, и немалые, связанные с обеспечением запуска этой аппаратуры, оплачивались Французским национальным центром космических исследований (КНЕС).
Ракета-носитель «Восток» со спутником «Фотон-6» на старте на космодроме Плесецк  Спускаемый аппарат спутника «Фотон» после посадки  Установка «Зона-4» |
Во-первых, выращивание высококачественных кристаллов полупроводников. Они требуются бурно развивающейся микроэлектронике, необходимы для создания уникальных лазеров, тепловизоров, чувствительных датчиков ядерных излучений и уникальных приборов для физических исследований. Как показали первые эксперименты, в невесомости полупроводниковые кристаллы выращиваются из расплава в более благоприятных условиях, чем на Земле. В расплаве отсутствует обязательная на Земле тепловая конвекция, из-за чего в растущем кристалле нет связанных с ней дефектов. Отсюда и иной характер взаимодействия растущего кристалла со стенкой тигля (осуществим свободный бестигельный рост кристалла).
Во-вторых, в космосе перспективна варка стекол. Современные технические стекла представляют собой многокомпонентные смеси. Отдельные компоненты существенно отличаются по удельной плотности. На Земле в расплаве эти компоненты стремятся расслоиться: более плотные опускаются ко дну тигля, менее плотные поднимаются наверх, приходится постоянно перемешивать расплав. Когда же стекломасса застывает, перемешивание невозможно, и в стекле образуются локальные сгустки более плотных компонентов (свили). Такое стекло уже дефектно. В невесомости нет расслоения компонентов расплава по удельной плотности.
В самостоятельное направление в последние годы выделилась космическая биотехнология (Земля и Вселенная, 1989, № 4). Первоначально основные работы здесь были сосредоточены на получении особочистых биопрепаратов. Один из методов очистки биопрепаратов — электрофорез. Но пока на первый план вышла идея использовать космос для выращивания совершенных кристаллов белковых веществ. Такие кристаллы остро необходимы для углубленного исследования белков методом рентгено-структурного анализа. На Земле кристаллы белков растут некачественными. Только космос здесь может решить проблему. Первые эксперименты это подтвердили. Недаром по коммерческим контрактам зарубежными специалистами на советских космических станциях выращивались кристаллы белков. Для их роста требуется довольно продолжительное время (не менее двух недель), а за рубежом пока нет для этого подходящих космических объектов.
 Установка «Сплав-2» | 
Электрофоретическая установки «Каштан» |
  |
Развитие космической технологии потребовало создание специальной бортовой технологической аппаратуры. Это разнообразные электропечи, кристаллизаторы, установки для электрофореза. Во всех таких сложных технических устройствах, в которых реализуются, например, процессы плавки и кристаллизации полупроводниковых материалов, аппаратура должна быть максимально легкой, компактной, надежной, безопасной, малоэнергоемкой, прочной. Нередко требования противоречат друг другу. Например, безопасность и высокая надежность требуют, как правило, увеличения массы, габаритов (за счет резервирования, увеличения запаса прочности и т. д.), а это, в свою очередь, приводит к увеличению энергопотребления.
ЧТО УЖЕ СДЕЛАНО?
На борту всех уже запущенных спутников «Фотон» размещалась установка «Зона-1» (последующая ее модификация — «Зона-4») — электропечь для выращивания полупроводниковых кристаллов методом зонной плавки. В исходном образце материала диаметром 10—20 мм проплавляется узкая (около 20 мм) зона, которая при медленном перемешивании образца относительно нагревателя также постепенно перемещается от одного конца образца к другому. Происходит процесс очистки и роста кристалла. При этом в невесомости зона расплава может удерживаться силами поверхностного натяжения и не проливаться, даже если образец не касается стенок тигля. Преимущество такой бестигельной зонной плавки состоит в том, что растущий кристалл не загрязняется примесями из стенок тигля и растет свободно без механического воздействия со стороны тигля.
Напомню, что в земных условиях бестигельная зонная плавка ряда полупроводниковых материалов (например, германия) неосуществима. На установке впервые в космических условиях в автоматическом режиме были получены методом бестигельной зонной плавки монокристаллы германия (чистого и легированного) и антимонида галлия — типичные представители наиболее интересных классов полупроводников.
 Установка «Зона-3» |
Установка «Сплав-2» также автоматическая электропечь, созданная для спутника «Фотон», но реализующая методы кристаллизации из газовой фазы и объемного затвердевания. В «Сплаве-2» имеется магазин с двенадцатью металлическими капсулами, которые поочередно загружаются в печь. На конце каждой капсулы есть кодоноситель, содержащий зашифрованную программу эксперимента. Перед загрузкой в печь эта информация считается электронным устройством и передается в память управления. В установке «Сплав-2» проводились эксперименты с полупроводниками и стеклами. Особенно удачными были эксперименты по получению стекол с переменным показателем преломления.
Биотехнологические эксперименты на спутнике «Фотон» выполнялись в установке «Каштан», в которой производится разделение и очистка биологических веществ методами электрофореза в свободной среде жидкости, а также выращиваются кристаллы белков.
Основной узел установки — термостат, поддерживающий температуру +4 °С (наиболее благоприятную для биопрепаратов).
В зависимости от использования установки в термостате размещается электро-форетическая колонка, либо биокристаллизатор.
Качественные кристаллы белков необходимы современной биологии и медицине, но в земных условиях рост кристаллов из растворов белков в большинстве случаев крайне затруднен.
МОДУЛЬ «КРИСТАЛЛ»
Особое место эксперименты в космической технологии занимают в программе работ экипажей советской долговременной орбитальной станции «Мир». Пристыкованный к станции 10 июня 1990 г. модуль «Кристалл» (Земля и Вселенная, 1990, № 4, с. 52.), оснащенный целым рядом бортовых технологических установок, стал настоящей производственной лабораторией в космосе для проведения разнообразных экспериментов и получения материалов методами космической технологии. Среди технологических установок модуля «Кристалл» — две печи «Зона-2» и «Зона-3» более совершенные установки по сравнению с аналогичными на спутниках «Фотон». Они открывают новые возможности для проведения систематических исследований и экспериментов в интересах народного хозяйства страны.