Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Продолжение экспериментов в области создания пленок проводилось на уже упомянутой УРИ с технологической точки зрения, а на станции «Мир» – на установке «Кристаллизатор». В них фиксировалась теплоемкость металла в жидком виде. Сейчас на МКС проходит эксперимент «Кинетика» с переохлаждением сплава меди и циркония. Такая смесь становится более устойчивой к температурным воздействиям, но электропроводность чистой меди практически не падает. Новые структуры при использовании переохлаждения вообще могут стать сверхпроводниками.

Следующий после нанесения пленок и создания покрытий процесс – пайка. В ходе эксперимента «Реакция» космонавтам на «Салюте‐5» удалось соединить нержавеющую сталь с помощью марганца. В данном технологическом процессе на первый план выходит свойство смачиваемости, то есть способность жидкости поддерживать контакт с твердым материалом за счет атомных связей. Можно предположить, что результат пайки не сильно зависит от состояния невесомости.

Смачиваемость и взаимная диффузия активно изучались в эксперименте «Пирин». Его результатом стала демонстрация принципиальной возможности процесса пайки. Даже не нужно было специального приспособления – достаточно обычного паяльника.

Если в космосе научились делать резку, пайку, сварку и нанесение покрытий, то и до создания сплавов недалеко.

Первый эксперимент в этой области в СССР был попыткой создать сплав алюминия и вольфрама. Помимо различной массы, у этих металлов очень разная температура плавления. Вольфрам – один из самых жаростойких материалов. В нормальных условиях он плавится при температуре 3422 °C. Алюминий при этой температуре не просто становится жидким, а полностью испаряется.

На Земле создать сплав из таких металлов чрезвычайно сложно. В невесомости это гораздо легче, но в первых экспериментах главная задача ученых состояла не только в получении нового материала – легкого, как алюминий, но с большой твердостью, жаропрочностью, износостойкостью, как вольфрам. Важнее было изучить процессы взаимодействия металлов в разных состояниях.

Интересно, что алюминий и вольфрам способны образовывать между собой химические соединения – так называемые интерметаллиды.

Подобный эксперимент уже проводился, причем в очень известном полете кораблей «Союз‐19» и «Аполлон». Он назывался «Универсальная печь». Его отличительной особенностью было использование порошкового метода образования сплава. Материалы смешивались в твердом состоянии, но в виде максимально измельченного песка, затем все спрессовывалось и нагревалось до температуры от 700 до 1050 °C. Тогда алюминий спекается и соединяется с вольфрамом.

На Земле постепенное образование интерметаллидов данным методом приводит к появлению пор – пока спекшийся кусок неравномерно остывает под действием силы тяжести, часть еще горячего алюминия может стечь и оставить полость. Тогда новый материал будет обладать меньшей механической прочностью. Но даже в невесомости невозможно гарантировать, что порошки в самом начале перемешаны равномерно. Тем не менее данные о процессе помогают придумать лучшие способы создания таких сплавов.

На орбите отрабатывались три температурных режима в эксперименте ВОАЛ. В двух предполагалось, что вольфрам оставался твердым, а алюминий – в жидком и газообразном виде.

Другой сплав – алюминия и индия – удалось создать в 1982 году на станции «Салют‐7» в специальной печи «Кристалл-магма». На Земле можно только создать слои одного вещества на другом. Даже если перемешать эти два элемента, произойдет так называемая ликвация. Но изучить, как сливаются капельки жидкости расплавленного металла в другом металле, было важно для металлургии. Итоговый материал ценен своими каталитическими свойствами: с его участием можно разлагать воду на водород и кислород и производить большое количество экологически чистого топлива.

ВОАЛ проводили на станции «Мир» и аппаратуре «Кристаллизатор ЧСК‐1» Владимир Титов, Муса Манаров, Анатолий Соловьёв, Виктор Савиных и болгарский космонавт Александр Александров. Они же провели эксперимент «Структура АМ‐33/86». Известно, что даже при незначительном добавлении железа в сплав алюминия и меди меняется структура материала: вместо пластинчатой она становится стерженьковой. В невесомости в этом процессе участвуют только капиллярные силы, а значит, можно лучше понять причины такого перехода и придумать способы, как избежать этого в наземных технологических процессах. В 1994 году на американском шаттле Endeavour на этом материале продолжились исследования образования еще одной формы вещества – квазикристаллов, когда атомы выстраиваются в, казалось бы, невозможном порядке, если переохладить вещество. Ранее считалось, что кристаллы могут обладать только двух-, трех-, четырех- и шестикратной вращательной симметрией. Действительно, достаточно просто выложить пол одинаковыми треугольными, квадратными или шестиугольными плитками. А вот одинаковыми пятиугольниками замостить поверхность, чтобы не было пропусков, просто так не получится. Однако в 1960‐х годах математики нашли способ это сделать, только рисунок полученного паркета был непериодическим. В 1980‐х годах удалось выяснить, что математическая особенность применима к кристаллографии. Кроме треугольной, квадратной и гексагональной решетки могут быть непериодические решетки других типов симметрии. Это наблюдается крайне редко, но ученые начали открывать сплавы с такой структурой. С учетом свойства изменения структуры сплав алюминия, меди и железа стал интересным объектом для исследования в невесомости, и не зря. Было обнаружено несколько разных типов симметрии, а затем иксоидритный кристалл Al 63 Cu 24 Fe 13 природного происхождения был найден в метеорите.

В 2011 году химик Ден Шехтман, который первым предложил отринуть давно устоявшийся принцип, был удостоен Нобелевской премии по химии за работу над квазикристаллами. Это открытие изменило всю науку материаловедения.

Ниобий-никелевый сплав на орбите создавали с целью получения квазикристаллов. Астронавты обнаружили ранее неизвестное метастабильное состояние сплава – атомы образовали структуру, которая не встречалась ранее на Земле и которая изменялась при нормальных условиях. Правда, из-за ограниченного набора исследований особенности материала определить не удалось.

Еще один интересный для металлургии сплав – силумин, смесь алюминия и небольшого количества кремния. Материал жаропрочен и благодаря механическим свойствам применяется в производстве литейных емкостей – из силумина делаются формы, в которые заливается алюминий и застывает в виде нужной фигуры. При изготовлении сплава на Земле из-за большей теплоемкости и медленного остывания кремния в структуре возникают поры, а у заготовок получаются грубые края. Соответственно, изделия, отлитые в формах, тоже будут с небольшими дефектами. Чтобы узнать, как улучшить качество силумина, проводили эксперименты в невесомости, где поры при плавке практически не возникают из-за отсутствия теплового перемешивания.

В 1990‐х годах на американском шаттле удалось поэкспериментировать с печами, способными нагреваться до 1600 °C. Тогда ученые сразу попробовали создать вольфрамо-железо-никелевый сплав. С ним было еще больше проблем из-за высокой плотности и температуры спекания – свойства распределяются неравномерно. Материал очень интересен благодаря жаропрочности и способности защищать от радиоактивного излучения. Космический образец сплава был гораздо лучше земных аналогов.

В поисках еще более прочного материала ученые обнаружили,