Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Сначала космонавты поэкспериментировали с высокотемпературной сверхпроводящей керамикой (ВТСП).

Оксид иттрия, бария и меди стал первым таким материалом. В экспедиции STS‐42 шаттла Discovery выращивались органические материалы со сверхпроводимостью.

В нескольких интересных экспериментах выращивались кристаллы в виде деревьев, так называемые дендриты. Яркий пример – снежинки или льдинки на окнах. В 1993 году в ходе разработанного школьниками эксперимента, проводимого на шаттле Endeavour, велась съемка распространения кристаллов нитрата кобальта и силиката натрия в случайных направлениях. Они закручивались, а в некоторых случаях образовывали спирали. Результаты вызвали интерес, и чтобы изучить явление подробнее, через год на шаттле Columbia провели эксперименты по кристаллизации сукцинонитрила. Это вещество прозрачно и затвердевает при температуре 57 °C. Оно хорошо подходило для наблюдения и записи на телекамеры процессов ветвления в ходе роста кристаллов в невесомости. Первым же открытием стало то, что ветвление начало происходить медленнее, чем на Земле.

Исследования помогли лучше понять процессы, происходящие при производстве нейлона, а также принесли пользу не в материаловедении, а совсем в другой дисциплине – биологии. Новые открытия помогли лучше понять работу нейронов в мозге.

В космосе проходили эксперименты по выращиванию кристаллов цеолита. Цеолиты – это минералы, состоящие в основном из кремния, алюминия, кислорода. Кристаллическая структура цеолита похожа на губку или сито с большим количеством пор, благодаря чему молекулы одних газов могут проходить сквозь материал, а других – нет. Последние как бы застревают, не имея возможности просочиться через поры меньшего размера. При этом радиус микроструктур зависит от содержания отдельных элементов в цеолите. Благодаря этому можно как бы настроить конкретный кристалл под фильтрацию отдельных газов. Такое вещество называют молекулярным ситом.

Высококачественные цеолиты используют в химическом производстве, например переработке бензина, нефти и других нефтепродуктов, а также для очистки воды и воздуха от загрязнений. Однако природные цеолиты имеют в разы больше примесей и искажений молекулярной структуры, чем искусственные, а выращенные в космосе образцы еще лучше. Да и контролировать процесс роста и размер микропор в невесомости гораздо проще.

Еще один раздел материаловедения в космосе – создание стекол, аморфных соединений с неодинаковой кристаллической структурой. Такие вещества не имеют точной температуры плавления, известной прочности, электрических свойств и т. д. К примеру, так называемая капля принца Руперта, которую делают из стекла при плавлении и быстром затвердевании. Сама капля очень прочна и может выдерживать высокое давление, но ее кончик, наоборот, очень хрупок. Его можно сломать рукой, и тогда вся капля разлетится вдребезги, так как нарушится вся структура. Условно можно сказать, что аморфные соединения – это промежуточная стадия между жидкостями и кристаллическими твердыми телами, так как они могут быть текучими и прозрачными, как вода, а могут быть и твердыми. Классическими аморфными соединениями являются стекло, клей, парафин, пластик, гель.

Естественно, в невесомости могли проявиться и другие свойства, позволяющие понять, как правильно варить материалы с нужными параметрами. Первыми космическими стекловарами стали Владимир Ковалёнок и Александр Иванченков.

Они сразу попытались создать стекла с добавками разных веществ для получения уже известных материалов, но с равномерным распределением примесей и, соответственно, с однородными свойствами. На Земле заметили, что различные химические элементы группируются – роятся в расплаве стекла в областях более подходящей структуры. Кроме того, в присутствии силы тяжести в процесс вмешивается вещество сосуда, где происходит технологический процесс.

Космонавты с большим энтузиазмом взялись за эксперименты. В первом заходе предполагалось провести 25 опытов. Ковалёнок и Иванченков создали 41 образец. Даже появилась фраза «Ни дня без плавки».

Например, делали стекло с добавлением ионов неодима. Оно имеет свойство пропускать свет только одной длины волны и может менять цвет в зависимости от освещенности. В быту стали активно использоваться очки, которые в обычных условиях позволяют корректировать зрение, а при увеличении яркости становятся темными, превращаясь в солнцезащитные. В производстве неодимовые стекла используют как светофильтры при создании лазеров. Применяется стекло также в искусстве и ювелирном деле.

Примеси тербия и церия создают магнитооптические активные материалы, используемые как оптические затворы, которые пропускают излучение только в одну сторону.

В космосе сделали и халькогенидное стекло с добавлением германия, серы и сурьмы. Этот материал используется в качестве инфракрасной оптики. После отжига в невесомости оно оказалось более однородным по химическому составу, что уменьшило поглощение инфракрасного излучения. Потенциально халькогенидные стекла высокого качества можно применять в средствах хранения информации – по параметрам перезаписи они могут быть в разы лучше современных флеш-накопителей.

Затем в космосе были получены бериллиево-фторидные оптические стекла. Их используют при создании оптоволокна, световодов, медицинских хирургических инструментов.

Одним из необычных состояний вещества, когда одновременно наблюдаются свойства жидкости и твердого тела, являются так называемые жидкие кристаллы. Впервые такое необычное поведение было открыто у сложного эфира – холестерилбензоата.

В отличие от стекла, где атомы и молекулы связаны друг с другом, но могут образовывать разные структуры, в жидких кристаллах молекулы не имеют такой связи, но при электромагнитном, механическом или температурном воздействии могут образовать упорядоченную структуру. Чаще всего речь идет о выстраивании вытянутых, напоминающих диски или стержни кристаллов в одном или другом направлении. Меняя силу воздействия на материалы в подобном состоянии, можно менять их цвет, прозрачность, коэффициент преломления. В 1970‐х годах жидким кристаллам стали находить множество применений, а известность им принесли тонкие экраны, мониторы и индикаторные панели.

Космонавтика долго обходила это направление исследований стороной, хотя интерес был колоссальный. В 2015 году жидкие кристаллы добрались до МКС, где исследовались в рамках эксперимента OASIS. Планировалось создать нанопленку толщиной две молекулы, в которой могли присутствовать небольшие включения – островки толщиной пять-десять молекул. Такой образец получался надуванием тонкого пузыря, который не лопался, как было бы на Земле из-за смещения части жидкости вниз под воздействием гравитации. Далее получившийся шар космонавты обдували воздухом, нагревали, охлаждали, вращали и, конечно, все изменения записывали на видеокамеру.

Так как в невесомости движение жидкости зависит от сил поверхностного натяжения и температуры, исследования этих процессов очень важны.

В одном из экспериментов пузырьки пара вводили в спиртовой раствор в сосуде, противоположные стенки которого нагревались и охлаждались. При этом пузырьки двигались к теплой стенке, но далеко не все.

Отдельная тема – тепловое расширение. При нагреве зачастую увеличивается объем материала и меняется плотность. При плавке и последующем затвердевании этот эффект может привести к образованию полостей. На Земле в освободившееся пространство может залиться второй компонент сплава. Подобное включение может быть связано и с капиллярными силами, и с конвекцией (перемешиванием теплого и холодного). Чтобы выяснить, как это