Международные экипажи в космосе

В качестве основного компонента в первом эксперименте был выбран анизотропный кристалл хлорида свинца (РbСl₂), поскольку на нем проще проследить влияния температурного перепада и гравитационного поля. Вторым изучаемым веществом стали хлорид меди (GuCl) и хлорид серебра (AgCl). Во втором эксперименте исследовалась кристаллизация бромида одновалентной ртути (Hg₂Br₂) из раствора в эвтектическом расплаве с бромидом двухвалентной ртути (HgBr₂), обладающим чрезвычайно высокими значениями параметра связи в кристаллической решетке.

В третьем эксперименте изучалось затвердевание и образование стекловидной системы, представленной полупроводниковым стеклом с тетраэдрической структурой решетки (в состав системы входили атомы германия, сурьмы и серы). Цель этого эксперимента заключалась не только в определении условий образования стекла в состоянии невесомости, но также в изучении процессов зародышеобразования и разделения фаз, протекающих в стеклянной матрице, и определении влияния этих процессов на основные физические характеристики получаемых материалов.

Коротко об условиях проведения экспериментов. Установка «Сплав» была размещена вблизи корпуса орбитальной станции, неподалеку от центра тяжести всего научного комплекса. В ходе экспериментов весь орбитальный комплекс ориентировался так, чтобы его продольная ось была направлена к центру Земли.

Для повышения «чистоты» эксперимента в наиболее ответственные периоды кристаллизации на орбитальном комплексе выключались все системы и агрегаты, вызывающие колебания станции, сводились к минимуму даже перемещения космонавтов. Поэтому в эти решающие для эксперимента периоды времени сила тяжести по всем трем направлениям была несущественной и составляла не более 10^{– 6}—10^{– 7} g.

Образцы исследуемых материалов находились в кварцевых ампулах (в условиях вакуума), размещенных в контейнере, представляющем собой герметичный стальной цилиндр длиной 172 мм и диаметром 17 мм. После помещения контейнера в цилиндрическую полую печь установки начиналось нагревание образцов с таким расчетом, чтобы температура в контейнере росла до тех пор, пока не достигала величины выше точки плавления исследуемых материалов.

Максимальный нагрев в экспериментах «Морава» достигал 500 °C. После достижения максимальной температуры началось ее регулируемое снижение. Причем максимальная температура достигалась примерно через 24 ч после начала эксперимента, а затем в режиме охлаждения возникал процесс затвердевания. Охлаждение длилось около 20 ч со скоростью примерно 11 °C в час. Таким образом, весь рабочий цикл составлял около двух суток.

Одновременно в ЦПК им. Ю. А. Гагарина специалисты СССР и ЧССР провели наземную часть экспериментов. Она по своей сути обратна космической: если в космосе нужно было свести к минимуму силу земного тяготения, то здесь с помощью центрифуги исследовались рост и направленное затвердевание кристаллических материалов при различных перегрузках. Располагая контейнер с исходным веществом то по вектору углового ускорения, то перпендикулярно ему, специалисты сравнивали структуру и свойства материалов, полученных при различных направлениях перегрузки.

Наземный эксперимент на центрифуге был осуществлен на установке «Кристалл», работающей по методу направленной кристаллизации. Однако в отличие от установки «Сплав» процесс здесь происходит в условиях фиксированного теплового поля, а изменение зон нагрева достигается перемещением ампулы с материалом, которое осуществляется механически в соответствии с требуемой программой. Сопоставление результатов всего комплекса экспериментов «Морава» помогло определить зависимость свойств материалов от гравитационных условий их получения и выработать рекомендации по созданию перспективных технологических соединений.

Микроскопическое исследование структуры материалов, полученных одновременно в условиях космического полета и на Земле (при прочих идентичных условиях), показывает, что кристаллы, выращенные в космосе, меньше, чем аналогичные кристаллы, полученные на Земле. Причина заключается в том, что в космосе миграция ионов в расплаве происходит лишь путем диффузии: именно такое влияние оказывает невесомость на процесс зародышеобразования и роста кристаллов из жидкой фазы. Влияние же невесомости на эвтектические растворы противоположно: кристаллы обеих фаз эвтектики больше, чем полученные на Земле.

Процесс затвердевания кристаллов в космосе подвержен влиянию микрогравитации. И хотя она была мала в этом эксперименте, но все же на внешней поверхности образца можно заметить следы воздействия радиальной составляющей микрогравитации, зарегистрированной в ходе эксперимента. Оказывается, что поле тяготения порядка 10^{– 6} g достаточно, чтобы повлиять на конфигурацию атомов в исследованной расплавленной системе, а также на процесс затвердевания.

В экспериментах «Сирена» (СССР-ПНР) изучался процесс направленной кристаллизации в полупроводниковых материалах, получаемых из жидкой фазы в условиях невесомости. В качестве исследуемых материалов в экспериментах «Сирена» были выбраны тройные полупроводники «ртуть — кадмий — теллур» (CdHgTe), «кадмий-ртуть — селен» (CdHgSe) и «свинец — селен — теллур»;(PbSeTe).

Эти материалы в течение многих лет тщательно изучаются в Институте физики Академии наук ПНР, сотрудники которого много сделали для выяснения физических характеристик материалов этого типа и возможностей их применения. Полупроводники, в состав которых входят названные элементы, характеризуются высокой чувствительностью и малой инерционностью. В настоящее время они считаются наилучшими детекторами инфракрасного излучения, способными работать в диапазоне длин волн около 10 мкм, т. е. в пределах так называемого «атмосферного окна». Имеет перспективы и использование этих материалов в лазерных устройствах с перестраиваемой частотой.

Однако получение однородных полупроводниковых сплавов данного типа в наземных условиях существенно затрудняется процессами конвекции, обусловленной действием силы тяжести, поскольку химические элементы — ртуть, кадмий и теллур — значительно отличаются по массе. В свою очередь, однородность и структурное совершенство полупроводниковых материалов, полученных в космосе, обусловливает их особые физические свойства и возможности применения. Если в лабораторных условиях на Земле достигается степень однородности кристаллов этого типа порядка 12 %, то полупроводники, полученные в экспериментах «Сирена» в условиях невесомости, характеризуются значительно более высокой степенью однородности — около 60 %.

Следует отметить, что эксперимент по направленной кристаллизации тройного полупроводника «ртуть — кадмий — теллур» из жидкой фазы проводился дважды, поскольку в распоряжении международного экипажа находились две ампулы с исследуемыми веществами. Первая ампула была нагрета до температуры около 900 °C, после чего она подверглась регулируемому охлаждению со скоростью 11,4 °C в час; на проведение эксперимента ушло 46 с. Затем эксперимент был повторен, но с иной программой охлаждения: вторая ампула хотя и нагревалась аналогичным образом, но охлаждалась пассивно, т. е. без автоматической регулировки температуры. В этом случае скорость снижения температуры была значительно выше — порядка 145 °C в час; эксперимент закончился через 16,5 ч.