Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Кристаллы йодида ртути выращивали американские астронавты на шаттле Discovery. Это вещество может находиться в двух вариантах с разной структурой в зависимости от температуры. Так как кристаллическая решетка очень сложная и меняется при нагреве, использовать стандартные земные методы производства для выращивания йодида ртути невозможно – остывший слой меняет структуру и уже не может увеличиваться за счет осаждения. А в невесомости образец можно подвесить и за счет отсутствия переноса тепла при конвекции лучше контролировать температуру и процесс в целом. Особые свойства вещества еще и позволяют глубже понять физические процессы в невесомости.

Йодид ртути обладает исключительными свойствами полупроводников и может применяться для создания телескопов, устройств отображения информации на ядерных электростанциях, в медицинской технике.

Следующий материал, создаваемый на орбите, – сульфид кадмия. На Земле он производится без особых сложностей в виде порошка или тонких пленок. Сферы применения вещества тоже обширны – от термостойкой краски до Фотоэлементов и датчиков. Огромный интерес вызывает свойство генерации энергии при попадании света. Из материала можно изготавливать солнечные батареи в космосе, причем сульфид кадмия реагирует не только на свет, но и на высокоэнергетические частицы. То есть он может генерировать электричество из космической радиации.

В ходе эксперимента «Кратер-В» на станции «Мир» кристалл удалось выращивать 130 часов и получить образец с рекордной массой 130 граммов. Почти сразу после этого была предпринята попытка выращивания схожего по свойствам селенида кадмия уже в течение 230 часов, но из-за проблем с электропитанием установки эксперимент был прекращен через 22 часа.

Эксперименты с теллуридом кадмия продолжили серию исследований роста полупроводников. Правда, установку «Галлар» космонавты перенесли в другое место, и при работе на нее оказывали влияние иные вибрации станции. Для калибровки и лучшего понимания процессов требовалось учитывать новые условия. Теллурид кадмия производили на разных установках («Галлар», «Кристаллизатор», «Оптизон», «Кратер-В»), использующих разные методы, режимы и настройки для улучшения качества продукта.

На станции «Салют‐6» выращивался кристалл материала КТР. Это сплав кадмий – ртуть – теллур, который считается наилучшим материалом, позволяющим обнаруживать инфракрасное излучение. При падении на материал света с длиной волны от одного до 30 микрометров генерируется электрический ток и в некоторых случаях видимый свет. Так можно узнать о наличии и интенсивности инфракрасного теплового излучения. Это нужно для термометров, лазеров, телескопов. Однако есть трудность: ток в этом веществе проходит только по узкому поверхностному слою, а значит, любая неравномерность или дефект приводит к резкому ухудшению уникальных свойств кристалла. На Земле с силой тяжести есть и сила Архимеда, которая разделяет составляющие элементы. Ртуть тяжелее и тонет в расплавленном теллуре, а оба вещества тонут в легком относительно них кадмии.

Долгое время не существовало достаточно успешных методов промышленного производства КТР. В невесомости разделения составляющих частей не происходит. Логично предположить, что кристаллы, сделанные в космосе, будут гораздо чище, равномернее и, соответственно, будут обладать лучшими свойствами. Кроме перемешивания на образование кристалла влияет скорость остывания сплава и температурный режим. Ртуть, теллур и кадмий становятся твердыми при разной температуре. В невесомости жидкости и кристаллизованные тела ведут себя по-разному.

Чтобы исследовать возможные различия, в эксперименте использовалось несколько вариантов проведения. Сначала космонавты нагревали все до температуры 960 °C в печке «Сплав‐01», а потом охлаждали, быстро или медленно. Впоследствии чистый КТР успешно получали на станциях «Мир», МКС, на шаттле Columbia в миссии STS‐50.

Вместе с КТР исследовался арсенид индия, который охлаждали в течение 15–60 часов. Ученых заинтересовало изменение силы поверхностного натяжения расплава в зависимости от температуры – чем горячее жидкость, тем слабее атомные связи. На Земле проследить за таким тонким эффектом практически невозможно, так как сила тяжести превышает силу поверхностного натяжения и разделяет расплав на капли.

Сам арсенид индия используется при создании сверхвысокочастотных транзисторов, которые могут работать при сверхнизких температурах.

Результаты космических экспериментов подтолкнули исследователей к созданию новой технологии производства. Хотя она и не позволяет достигнуть качества кристаллов, возможного в невесомости, количество дефектов из-за гравитации удалось уменьшить. Сейчас материал КТР незаменим в инфракрасных камерах, датчиках и телескопах. Схожими свойствами обладали кристаллы кадмий – селен – теллур и кадмий – цинк – теллур, которые тоже вырастили в космосе.

Соединение висмут – сурьма – теллур – новый материал, выращенный на орбите. Ученые полагали, что смесь этих полупроводников позволит создать эффективные солнечные батареи, более устойчивые к длительному воздействию излучения.

В невесомости астронавты проводили эксперименты с ростом кристалла самарскита. Это редкое минеральное соединение, которое прославилось тем, что из него удалось выделить химический элемент самарий. Целью было лучше понять его свойства и потенциальную пользу. Как потом удалось узнать, соединения с самарием очень хорошо подходят для создания высокоэффективных ядерных реакторов. При нагревании большая часть энергии тепла материала переходит в электричество.

Александр Викторенко и Александр Калери в 1992 году начали эксперимент «Сверхпроводник». В условиях невесомости космонавты выращивали кристаллы материалов, обладающие практически нулевым электрическим сопротивлением. Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Во многих металлах, называемых проводниками, имеется большое количеством свободных электронов, которые можно привести в движение с помощью электрического поля. Однако ядра атомов в кристаллических решетках проводников имеют собственные заряды, которые как бы тормозят, замедляют электроны и, соответственно, снижают силу тока. Чем сильнее металл это делает, тем больше его электрическое сопротивление. На взаимодействие ядер и электронов уходит энергия (она переходит в тепло). Для экономии, естественно, нужно, чтобы сопротивление было минимально. Сопротивление может зависеть от температуры материала и количества примесей и дефектов в кристаллической структуре. При низких температурах металлы лучше проводят ток. Температура – это мера движения атомов. Даже в случае твердого материала с кристаллической решеткой ее узлы немного колеблются. Смещение совсем небольшое, но оно оказывает влияние на электроны.

Представьте: ваша задача – пройти через толпу людей. Если все стоят на месте и между ними достаточно пространства, то можно даже аккуратно, но быстро пробежать. Если же люди начнут двигаться, вы будете постоянно натыкаться на кого-то, притормаживая. Примерно так же атомы проводника мешают свободным зарядам двигаться. Однако при снижении температуры сопротивление снижается, атомы замедляют колебания. Ученым удалось обнаружить несколько материалов, чье сопротивление при температурах ниже –250 °C снижается практически до нуля. Такие вещества называются сверхпроводниками, но с ними есть проблема: для охлаждения требуется много сил и ресурсов. Ученые стали искать материалы, которые могли стать сверхпроводниками при относительно высоких температурах, хотя бы выше –196 °C – тогда материал можно охладить жидким азотом без сложных установок.

Высокотемпературные сверхпроводники известны с 1986 года. Практически сразу их стали делать в невесомости для улучшения