Международные экипажи в космосе

Козырев Валентин Иванович

Серии экспериментов «Этвеш» и «Беалуца» (СССР-ВНР) отличались друг от друга технологическими режимами (температурой нагрева, длительностью выдержки, скоростью протяжки, охлаждением — регулируемым или пассивным) или исходными веществами.

В серии «Этвеш» выращивались из расплавов-растворов монокристаллы различных полупроводниковых соединений (арсенида галлия, легированного хромом, антимонида индия и антимонида галлия). Эти материалы широко используются при создании микроэлектронных приборов, и улучшение их характеристик имеет большое значение для этой отрасли техники. По результатам экспериментов была дана качественная оценка особенностей роста кристаллов в условиях микрогравитации в отсутствие тепловой конвекции и проверена возможность получения полупроводниковых

материалов с улучшенными электрофизическими и структурными параметрами. При выполнении экспериментов «Этвеш» были получены монокристаллы антимонида галлия, значительно превосходящие по своим размерам и по физическим свойствам монокристаллы, которые выращиваются в наземных условиях. В двух сериях экспериментов «Беалуца» изучалась диффузия меди в алюминий (первая серия) и технология получения сплава алюминия с 4 % меди (вторая серия). В первой серии использовалась цилиндрическая заготовка высокочистого алюминия с вкладышем в виде проволоки из меди, во второй — сплав алюминия с медью. Результаты экспериментов «Беалуца» используются для улучшения технологии непрерывной разливки стали и сплавов, разливки в формы для изготовления специальных изделий (инструментов, деталей для теплоэнергетических машин и т. п.), улучшения технологии и оборудования серийного производства.

В экспериментах «Халонг» (СССР-СРВ) выращивались полупроводниковые кристаллы трехкомпонентной системы «висмут — сурьма — теллур», а также кристаллы фосфида галлия в условиях микрогравитации. Были получены более совершенные, чем на Земле, твердые растворы трехкомпонентной системы.

Три технологических эксперимента выполнил советско-кубинский экипаж: «Карибе», «Сахар», «Зона». И если эксперимент «Карибе» являлся составной частью традиционных работ по космическому материаловедению в рамках программы «Интеркосмос», то эксперименты «Сахар» и «Зона» были новым направлением исследований в этой области для ученых социалистических стран.

Эксперимент «Карибе» был посвящен выращиванию кристаллов германия, легированного индием, а также получению эпитаксиальных пленок из арсенида галлия, легированного алюминием. Цель эксперимента — поиск оптимальных условий получения этих материалов.

В экспериментах «Сахар» и «Зона» исследовалась кинетика роста монокристаллов сахара и моделировался процесс зонной плавки сахарозы при наличии градиента температуры в монокристаллах. Они имеют громадное практическое значение для кубинской промышленности, поскольку могут способствовать решению одной из центральных народнохозяйственных задач республики — обеспечению полной и эффективной переработки сахарного тростника.

Три технологических эксперимента (два — под названием «Алтай», третий — «Эрдэнэт») провели члены советско-монгольского экипажа. В первом эксперименте «Алтай» исследовались процессы диффузии и массопереноса в расплаве металлов (на примере свинца и олова) и влияния на эти процессы конвективных потоков, возникающих в градиентном температурном поле. Во втором эксперименте «Алтай» выращивались монокристаллы пятиокиси ванадия в условиях микрогравитации. Кристаллическая пятиокись ванадия относится к активным полупроводникам и используется для изготовления термисторов, а также является хорошим катализатором при получении многих органических соединений. Структура, электрические и оптические свойства кристаллов, получаемых в наземных условиях, изучены довольно подробно. Ставя этот эксперимент, ученые полагали, что кристаллы пятиокиси ванадия, выращенные в условиях микрогравитации и отсутствия конвекции, будут обладать более совершенной структурой.

В эксперименте «Эрдэнэт» с помощью специального устройства изучались процессы диффузии и перераспределения примесей при растворении в воде и последующей кристаллизации сернокислой соли меди.

Остроумная Идея была положена в основу эксперимента «Нановесы» (СССР-СРР), в котором изучалось воздействие космической среды на материалы, находящиеся в открытом космосе. Для исследований была выбрана тонкая пленка двуокиси кремния. Этот материал широко применяется в космосе, в частности, защитные слои двуокиси кремния покрывают поверхности активных оптических элементов, например

элементов солнечных батарей. Слой двуокиси кремния отличается особой химической прочностью и стойкостью к воздействию факторов космической среды (излучений, вакуума и т. д.). Его преимущество состоит также в том, что он прозрачен в очень широком спектральном диапазоне.

Один из основных процессов, воздействующих на материалы в открытом космосе, — так называемое «сухое» испарение, или сублимация. При сублимации масса исследуемого материала постепенно уменьшается. Измерить это уменьшение массы и должны были космонавты в ходе эксперимента «Нановесы». Как известно, измерение массы в условиях невесомости представляет определенные трудности, особенно если ее изменение, как в данном случае, очень незначительно. Поэтому был выбран остроумный косвенный способ измерения.

Тонкая пленка двуокиси кремния была нанесена на поверхность кварцевого резонатора, включенного в специальную измерительную электрическую схему. Частота резонансных колебаний зависит от толщины пленки, и таким образом, измеряя частоту колебаний, можно определить изменение толщины пленки и соответственно ее массы в ходе эксперимента.

С целью разработки технологии получения в космических условиях монокристаллов заданного профиля с помощью капиллярных сил был выполнен эксперимент «Капилляр». Изучение влияния сил поверхностного натяжения на равномерность распределения примесей по всей длине расплава в плоскости капилляра проводилось впервые в истории космического материаловедения.

Методика получения монокристаллов заданного профиля с использованием сил поверхностного натяжения заключается в следующем. В капсулу с исходным материалом вставляется матрица с продольным капиллярным разрезом (сечение 1–2 мм). Расплавленный материал проникает в капиллярную полость и под действием сил поверхностного натяжения поднимается по капилляру. В земных условиях достигнутая высота подъема обратно пропорциональна ускорению силы тяжести. Если высота самого капилляра над расплавом выбирается меньше, чем высота, на которую может под действием сил поверхностного натяжения подняться расплавленный материал, то он заполняет капилляр целиком и небольшое избыточное его количество распространяется по верхней поверхности матрицы. Далее при помощи затравки вызывается кристаллизация расплавленного материала в плоскости капилляра, и в итоге получается монокристалл, профиль которого воспроизводит внутреннюю поверхность матрицы.

Качество получаемых при этом кристаллов и производительность метода зависят от достигнутой высоты подъема материала в капилляре и от однородности «питания» через капилляр.

При выращивании кристаллов с примесями (например, в случае полупроводников) очень важно, чтобы примесь была равномерно распределена по всему кристаллу. Установлено, что на равномерность распределения примесей влияет гравитация. При использовании вышеописанного метода даже в земных условиях наблюдается некоторое улучшение распространения примесей в кристалле вследствие капиллярного эффекта. В условиях же значительного уменьшения гравитационного ускорения (остаточная гравитация на борту станции «Салют-6» составляет одну миллионную от гравитации на поверхности Земли) специалисты ожидали значительного увеличения высоты подъема расплава в капилляре и существенного улучшения распределения примесей, а также повышения однородности питания через капилляр, что позволит получить кристаллы с однородными свойствами. Как показал этот эксперимент, ожидания в целом оправдались. В эксперименте «Капилляр» эффект изучался на примере чистого германия и германия, легированного галлием, в молибденовой матрице.,

Давая общую оценку научной работе, проделанной международными экипажами в космосе, можно со всей очевидностью утверждать, что ее итоги позволили нам продвинуться вперед в понимании условий существования человека в космическом пространстве, глубже проникнуть в существо протекающих в космосе процессов, наметить новые рубежи, к которым в ближайшие годы будет устремлена экспериментальная научная мысль.

В заключение отметим, что данная глава, будучи самой большой в книге, тем не менее не вместила полного и подробного рассказа о всех научных экспериментах. Но надеемся, что любознательный читатель получил хотя бы общее представление о научной деятельности международных экипажей на орбите и заинтересовался ею настолько, что обратился к списку дополнительной литературы в конце книги.