Международные экипажи в космосе

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.