Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

что, если смешать во время расплавления титан и диборид титана, последний создаст внутри каркас из нитевидных структур, повышающих прочность. Правда, есть риск, что диборид титана выстроит столбчатые кристаллы или «веерную структуру», что сведет на нет все свойства. Для экспериментов в невесомости ученые предложили сплавить титан еще и с алюминием для создания более легкого материала.

В 1991 году американские астронавты пробовали делать новые сплавы из сорока образцов металлов, включая золото, серебро, свинец. Они рассчитывали получить новый материал, который можно было бы использовать для создания нового поколения микросхем.

На основе никеля удалось получить материалы, где вкрапления совсем небольшого количества оксидов позволяют создать своего рода каркас, «арматуру шириной микрометр» на атомном уровне. Полученные сплавы обладают высокой прочностью и пластичностью, требуемыми для двигателей и атомных электростанций. Полученные данные позволили усовершенствовать методы наземной технологии производства дисперсно-упрочненных материалов.

Расширенные возможности МКС позволили провести эксперименты с еще более жаропрочными материалами. На орбите уже есть печи, которые могут держать температуру от 300 до 3000 °C.

Интерес вызывают сплавы тантала с кремнием, углеродом, цирконием, бором. Эти исследования важны для химической промышленности, ведь такие материалы обладают не только высокой жаропрочностью, но и стойкостью к различным кислотам. На Земле из сплавов тантала делают емкости для химической промышленности и трубопроводы. Исследования не закончены, эксперименты продолжаются.

Еще один плюс создания сплавов в невесомости – возможность отказаться от контейнеров. Многие вещества можно смешать между собой, но при этом они смешаются с материалом тары. Первая попытка плавки в подвешенном состоянии была предпринята на станции «Салют‐5». Виталий Жолобов и Борис Волынов провели эксперимент «Сфера», изучая поведение так называемого сплава Вуда – смеси олова, свинца, висмута и кадмия. Исходя из названия эксперимента, можно догадаться, что планировалось получить сферу, ведь в невесомости жидкости принимают форму шара. Однако получился скорее ежик, а внутри образовались различающиеся по химическому составу иглообразные кристаллики. Причиной необычного поведения, вероятно, стала особенность сплава Вуда: при нагревании он уменьшается в объеме – в отличие от многих других материалов, которые расширяются. Похожая серия экспериментов проводилась позже с обычной расплавленной медью. Там буквально за десять секунд образовывался идеальный шар. Это подтверждало гипотезу о необычных особенностях сплава Вуда.

Чтобы лучше изучить процессы расширения веществ и их затвердевания, на орбитальные станции привозили прозрачные органические вещества, твердеющие, как металлы. Например, на «Салюте‐5» использовались толан и дибензил, неопентилгликоль и сукцинонитрил. Они позволили рассмотреть тонкие эффекты, которые влияли на качество сплавов, но не могли быть обнаружены на Земле.

Еще один технологический процесс в космосе – создание пеноалюминия. По сути, это металл, который насыщают газом, пока он находится в жидком состоянии, для образования в нем пустот. Ячеистая структура позволяет значительно изменить плотность, теплопроводность, шумопоглощение. Металлические материалы могут быть даже легче воды. Пеноалюминий используется в тепловых машинах, ядерных реакторах, аккумуляторах энергии и газа, в протезах и даже как защита в бронежилетах. Космонавтика тоже не обходится без этого материала. Сложности в его создании на Земле связаны с тем, что под собственной массой блоки материала прогибаются и деформируются, и с тем, что пустоты распределены неравномерно – более легкий газ, по закону Архимеда, пытается всплыть. В невесомости этих проблем нет, а значит, и материал должен получиться лучшего качества. Владимир Ляхов и Валерий Рюмин на «Салюте‐6» впервые получили пеноалюминий, пористость которого в десятки раз выше, чем в земных условиях. При этом прочность материала даже выросла, ведь на Земле, если увеличить подачу газов в расплав, увеличится и количество пустот, но образующиеся ячейки будут соединяться между собой, и это приведет к уменьшению площади поверхности металла и появлению трещин. Кроме того, могут возникнуть сквозные «пещеры», которые полностью нивелируют свойства пониженной теплопроводности.

Космонавты выявили и недостатки: пока расплав пребывает в невесомости, его труднее удерживать в тигле и контролировать нагрев и охлаждение. Но перспективы у космической пены в промышленности велики.

На станции «Салют‐6» экспериментальная установка «Сплав‐01» могла обеспечить нагрев до 1000 °C и время работы 45 минут. Дольше было нельзя, так как станция заходила в тень от Земли и солнечные батареи не могли обеспечить устройство необходимой энергией.

На Международной космической станции исследования были расширены в эксперименте «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез», сокращенно – СВС. В нем процесс упростили, вместо специальной печки для нагрева используя химическую реакцию горения. В ходе ее выделяются тепло для спекания исследуемых компонентов и газ, благодаря которому появляются поры. Космонавты поэкспериментировали и создали ряд сплавов: Ti-C, Ti-Si, Ni-Al, NiO-Al-Ni, Ti-C-Ni-Al, Ti-C-Ni-Mo, Nb2O5-Ti, CrO3-Al, NiO-Al, FeO-Al, Ti-C-B, Ti-С-Ni. Все материалы, даже если их компоненты заметно различались по плотности, показали равномерное распределение пор и включений, в отличие от земных аналогов.

В невесомости удалось получить несколько уникальных структур пор, и это уже были не хаотически расположенные вкрапления, что в свою очередь указывает на возможность создания в космосе эффективных жаропрочных теплоизолирующих материалов.

Самое интересное – в невесомости получались градиентные материалы. Никель практически не растворяется в молибдене, но атомы металлов проникают друга в друга по границам пор за счет диффузии. Создается своего рода пограничный слой. Так в перспективе можно получить защитные покрытия для металлов, которые не будут по свойствам сильно отличаться от основы.

Следующий технологически интересный процесс, который иначе идет в космосе, чем на Земле, – рост кристаллов. Мы уже упоминали кристаллы в контексте переохлаждения, но и в нормальных условиях можно получить вещества с уникальными свойствами.

Впервые исследования процессов кристаллизации в условиях невесомости проводились на советской станции «Салют‐5». Космонавты использовали раствор алюмокалиевых квасцов в воде. По сути, простейший эксперимент, который можно провести дома, например с сахаром или солью. Нужно просто оставить в насыщенном сиропе или пересоленной чистой воде какой-нибудь маленький кристалл на ниточке или палочке. На него будут оседать атомы и увеличивать размер кристалла.

Полученные в космосе и на Земле образцы отличались друг от друга размерами, формой и количеством примесей. В невесомости – ожидалось, что кристалл будет иметь форму сферы и выглядеть одинаково со всех сторон, так как сила тяжести не будет деформировать образец, а решающую роль сыграют силы поверхностного натяжения.

Сила притяжения атомов на границе разделов фаз, например газа и жидкости, сильно отличается, и эта разница приводит к появлению силы вдоль поверхности, стремящейся сжать вещество. Капельки воды летают в космосе в виде шара, так как жидкость стремится уменьшить площадь своей поверхности, а фигура известного объема с наименьшей площадью – это шар. До этого на станции «Салют‐4» раскручивались капли воды и глицерина. Даже если плотность жидкостей различна и