Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

ферменную конструкцию. В дальнейшем ученые проработали недостатки, добавили систему контроля температуры и фиксации. Новый аппарат для сварки получил название «Универсал», и он уже использовался на орбите как инструмент, а не как экспериментальный прибор.

Помимо прочего, у инструмента имелась возможность напылять покрытия. Все началось с эксперимента по нанесению металлического покрытия на поверхность зеркала с целью восстановления его отражательной способности. На станции «Салют‐4» был орбитальный солнечный телескоп, с которым сразу возникли проблемы – внутри появился отраженный от корпуса солнечный зайчик, запутавший автоматическую систему наведения. Космонавтам Алексею Губареву и Георгию Гречко пришлось на слух, по звуку работы двигателя прицеливать систему. Причем работал телескоп очень тихо, но космонавты нашли решение, использовав стетоскоп из медицинской укладки. Со временем зеркало от радиации и от отходов работы станции помутнело. Тогда экипаж станции провел запланированный эксперимент.

Зеркало – это по сути стекло с тонким слоем металла, чаще всего – алюминия, реже – серебра или золота. На Земле для нанесения покрытия используется вакуумное напыление, в вакууме создается металлический пар, который контактирует с поверхностью и конденсируется. Так получается тонкий слой вещества поверх основы. Вакуум требуется, чтобы газы не служили центром конденсации и не заставляли металл преждевременно переходить в другое агрегатное состояние. В связи с этим космическое пространство обладает рядом преимуществ – вакуум тут бесплатный и более глубокий. К тому же невесомость позволяет распылять металл равномернее, чем на Земле, где из-за гравитации могут образовываться капли, искажающие отраженный свет. Для устранения этой проблемы инженеры подвешивают заготовки сверху, а распыление происходит снизу, тогда если капли и образуются, то падают, а не остаются на зеркале. В невесомости такой проблемы просто нет. Процедура обновления отражательного слоя зеркала на «Салюте‐4» прошла успешно, а космонавты отметили значительное улучшение изображений, наблюдаемых в телескоп. Этот эксперимент подтвердил практическую возможность проведения напыления в космосе, но качество получаемых в невесомости покрытий в этот раз не исследовалось.

Следующий значимый шаг в этом направлении был сделан на станции «Салют‐6». На ее борту располагалась установка «Испаритель», в которой экспериментировали с алюминием, серебром и медью. Выбранный материал бомбардировался электронной пушкой и таким образом нагревался, удерживаясь в специальном жаростойком контейнере – тигле – за счет сил поверхностного натяжения. Затем металлические пары, направляемые пучком заряженных частиц, двигались через комплекс диафрагм к заготовке, где успешно осаждались и конденсировались. Космонавты В. А. Ляхов и В. В. Рюмин получили 24 пластинки с высоким качеством напыления, но не лучше, чем при использовании земных технологий. А вот толщина покрытия, ее фазовый состав и субструктура имели ряд отличий.

В случае с медью и серебром оказалось, что «толстые» образцы с размером пленки 10 микрометров имеют на порядок меньшее содержание микропор, чем земные аналоги. Так как в этом эксперименте исследователи не нацеливались на изучение данных параметров, а установка на орбите была ограничена в возможностях настройки, получить достоверные данные было невозможно. Но эксперимент показал принципиальную возможность создания теплоотражающих, терморегулирующих, просветляющих, газобарьерных, антиэрозионных покрытий.

Дальнейшие исследования проводили Леонид Попов и Георгий Гречко на модернизированной ими по инструкциям с Земли установке с большим количеством возможных вариантов использования. Там уже напылялось и золото, а в качестве подложек пробовалось не только стекло, но и титан, дюралюминий и полиамидная пленка. И самое важное – пленку наносили на разнообразные поверхности, даже на гофрированную. Самый большой плюс невесомости – возможность создавать толстые слои материалов. На Земле пленка такой толщины отслаивается, а в космосе – нет. Это открыло возможности для создания новых материалов. Чаще всего, конечно, чем напыление тоньше, тем лучше, но бывают исключения. Толстые пленки на Земле используют в печатных платах для создания проводящих и полупроводящих слоев и терморегулирующих покрытий.

Космонавты получили более двухсот образцов, по которым было видно, что есть куда расти. Рядом со станцией имелся гораздо более глубокий вакуум, чем когда-либо можно создать на Земле, но все же от работы систем жизнеобеспечения, двигателей и от верхних слоев атмосферы оставалось некоторое количество газов. На станции «Салют‐7» имелась модернизированная установка «Испаритель-М», и один из экспериментов на ней назывался «Переохлаждение». При создании пленок очень важна скорость конденсации, затвердевания и, соответственно, температура. Если удастся добиться температуры жидкого металла ниже, чем температура его затвердевания, можно ожидать получения нового материала с необычной неустойчивой структурой, например «стеклообразного» металла. Однако добиться такого эффекта невероятно сложно. На Земле есть отличный пример – вода. При температуре ниже 0 °C она переходит в новое агрегатное состояние – лед. При этом, пока вся вода не затвердеет, температура не будет опускаться. Чтобы добиться переохлаждения, нужно взять исключительно чистую воду, чтобы в ней не было центров кристаллизации. По сути, затвердевание – это процесс образования кристаллов, а именно выстраивания атомов вещества в правильном, энергетически выгодном порядке. Это выстраивание должно с чего-то начаться. Если в воде уже есть что-то твердое, атомы начнут ориентироваться на кристаллическую решетку этого тела. Атомы загрязнителя положительными и отрицательными зарядами ядра и электрона заставляют атомы воды поворачиваться в определенном направлении. Если убрать эти центры кристаллизации, можно обмануть жидкость и не дать ей замерзнуть при более низкой температуре. С дистиллированной водой можно это проделать в домашних условиях и потом показать эффектный фокус: достать из морозилки бутылку переохлажденной воды и бросить в нее что-то или встряхнуть – кристалл льда будет расти на глазах, причем он будет прочнее и тяжелее, чем обычный лед. Когда такой лед образуется в природе, его называют донным. Главная трудность – найти такую чистую воду. Другой способ – очень быстро охладить жидкость, настолько быстро, чтобы атомы просто не успели образовать кристалл.

С водой данные действия хоть и с трудом, но получаются, а вот с металлами это сделать практически невозможно. Удается только в тонких пленках, когда пар соприкасается с подложкой значительно более низкой температуры, чем температура кристаллизации.

Так как космическое пространство идеально подходит для данного технологического процесса, в эксперименте, который провели Юрий Малышев, Геннадий Стрекалов и первый индийский космонавт Ракеш Шарма, ожидалось получить больший объем «металлических стекол» и большую толщину слоя. Использовался сплав серебра и германия. Материал выбрали как модельный – он часто применяется при создании украшений. Серебро известно быстрой окисляемостью, а добавление германия позволяет металлу долго сохранять свой блеск. Сплав хорошо известен и в связи с тем, что на нем изучалось влияние центров кристаллизации, конвекции, перемешивания, температурных градиентов на свойства получаемого вещества для разработки методов на Земле.

Так как при переохлаждении «металлические стекла» могут иметь другую нестабильную кристаллическую структуру, свойства могут меняться.