Международные экипажи в космосе

Технологические исследования «Беролина» (СССР— ГДР) представляли собой, по сути дела, серию из шести экспериментов. Эти эксперименты были подготовлены совместно с советскими специалистами учеными Университета имени А. Гумбольдта, Институтом электроники Академии наук ГДР и специалистами завода «Шотт и Ген» в Йене.

Из шести экспериментов серии «Беролина» четыре были посвящены плавкам и последующему выращиванию полупроводниковых монокристаллов. Это одна из ключевых задач космического материаловедения. Требуемая для промышленного получения изделий современной электроники структура полупроводников может быть получена только специально разработанным способом выращивания кристаллов, а условия космоса для такого производства весьма благоприятны. Освоение процессов выращивания кристаллов и создание новых материалов с заданными свойствами — необходимые предпосылки для быстрого развития промышленности полупроводников и полупроводниковой электроники.

В качестве исходных материалов в этих экспериментах были выбраны кристаллы полупроводниковых соединений «свинец — теллур» и «висмут — сурьма». Из первого соединения изготавливаются полупроводниковые диоды для лазеров; во втором соединении оба вещества химически сходны, но даже небольшие изменения их концентрации в кристалле приводят к значительным изменениям его электрофизических свойств.

При проведении экспериментов принимались особые меры для поддержания микрогравитации на уровне не более 10^{– 6} g: в это время не допускалось включение двигателей, а если печи установок уже работали, то космонавты не должны были делать гимнастических упражнений, в частности пользоваться велоэргометром и бегущей дорожкой, и даже перемещения космонавтов были ограничены, поскольку любые сотрясения установки ухудшали бы рост кристаллов.

Специалисты ожидали, что в результате будут получены материалы с более равномерным составом смешиваемых компонентов и более совершенной структурой монокристаллов. И эти ожидания в целом оправдались.

Пятый эксперимент в серии «Беролина» — плавка (в течение 20 ч) и последующая кристаллизация бериллиево-фторидного оптического стекла на установке «Сплав». Специалисты стекольного завода «Шотт и Ген» (ГДР) связывали с этим экспериментом большие надежды. Дела в том, что направленными технологическими процессами можно улучшить качество высокоточных оптических приборов, и исследования полученных образцов показали большую ценность данного эксперимента. В частности, было установлено, что, в то время как на Земле наблюдающаяся аномалия в распределении пузырей при плавлении такого стекла имеет однородное распределение вследствие термической конвенции, в условиях микрогравитации пузыри располагаются вдоль оси цилиндрического образца винтообразно.

Шестой эксперимент в серии «Беролина» должен был дать информацию об условиях «космической» кристаллизации, подтвердить правильность и применимость термодинамических расчетов для получения материалов выделением их из газообразной фазы. В эксперименте, таким образом, изучались основополагающие физико-химические процессы в газообразном веществе.

В качестве исходного вещества был взят германий, превращающийся в газ под воздействием высоких температур и переносимый веществом-носителем в область низких температур. Специалисты Центрального института физики твердого тела в Дрездене (ГДР) подготовили контейнер с пятью ампулами, заполненными германием и веществом-носителем (йодом), в которых обеспечивался химический перенос при закладке контейнера в установку «Сплав» (при пяти определенных давлениях газа).

В эксперименте предполагалось проверить важную научную гипотезу. Дело в том, что в аналогичных экспериментах в наземных условиях перемещение вещества через газообразную среду осуществляется диффузионными и конвективными потоками, причем доля конвекции возрастает при повышении давления газа. Однако оба вида потоков в условиях земного тяготения разделить трудно. В космических условиях конвекция, обусловленная силой тяжести, очень мала, диффузия доминирует и ее влияние может быть хорошо изучено при получении кристаллов методом химического переноса.

Эксперимент дал фундаментальные результаты, которые подтвердили ожидания ученых. Было установлено, что в космосе массовый перенос при более высоком давлении газа (до 0,7 МПа) определяется чистой диффузией, при этом результаты эксперимента соответствуют термодинамическим расчетам.

В аналогичном наземном эксперименте вследствие конвекции при давлении выше 0,3 МПа происходит ускоренный перенос массы. Сравнением скоростей переноса впервые были сделаны однозначные выводы о доле переноса (в наземных и космических условиях), обусловленного диффузией и конвекцией. Эти выводы корректируют заключения, сделанные, в частности, по данным американских экспедиций на «Скайлэбе» и во время полета космических кораблей «Союз» и «Аполлон».

Мы довольно подробно остановились на первых трех сериях экспериментов в области космического материаловедения, чтобы читатели имели ясное представление не только о существе этих экспериментов, но и о типичном характере такого рода опытов и условиях их проведения. Теперь коротко остановимся на остальных технологических исследованиях, проведенных международными экипажами.

В серии экспериментов «Пирин» (СССР-НРБ) исследовались морфологическая устойчивость монокристаллов цинка при их росте из газовой фазы в присутствии малых количеств водорода или аргона, углы смачивания на материалах «цинк — кварц» и «селен — теллур — кварц», анализировалась диффузия и термодиффузия теллура и селена, железа и цинка. Кроме того, в серию входил эксперимент по получению пеноалюминия путем вспенивания расплава алюминия с помощью газоотделяющего вещества — гидрида титана.

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.