Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Много экспериментов в космосе прошло с целью изучения горения в невесомости. Для химической реакции нужна непрерывная подача горючего и кислорода в качестве окислителя. На Земле нагретый в результате воздействия пламени газ поднимается и дает доступ новой порции воздуха для продолжения процесса. В невесомости этого не происходит – конвекции нет. Если поджечь спичку, кислород вокруг быстро прогорит и пламя затухнет. Но если подавать окислитель искусственно, например с помощью вентилятора, можно продлить химическую реакцию.

Огонь в космосе. NASA

На шаттле Atlantis STS‐43 астронавты поджигали бумагу внутри алюминиевого контейнера. Языки пламени имели каплеобразный вид, а горение распространялось значительно медленнее, чем на Земле. Температура горения тоже была ниже, что неудивительно, так как реакция протекала медленнее. На шаттле Endeavour STS‐54 астронавты поджигали кисточки органического стекла, и результатом тоже было замедленное горение.

На станции «Мир» проходил эксперимент «Скорость», в котором проверялся обратный эффект. Если вентилятор работает слишком активно, поток воздуха двигается слишком быстро и кислород не успевает вступить в химическую реакцию. Собственно, это же происходит при задувании спички или свечки.

В 1995 году на шаттле астронавты поджигали капли метанола, гептана и их смеси друг с другом и водой. При горении часть жидкости испарялась и возникала реактивная сила, приводящая растворы в движение. Если две капли горели рядом, они летели навстречу друг другу. Явление назвали эффектом «близнеца» Томаса, в честь астронавта Дона Томаса, который управлял экспериментом. Кроме этого, были получены уникальные данные о скорости горения капель и распространения химической реакции, а также об особенностях энерговыделения при слиянии веществ. Это помогло химикам понять, как синтезировать более эффективные типы горючего и как уменьшить пожароопасность. Продолжение эксперимента на МКС получило название «Зарево», в нем используются триметилдодекан и пентаметилгептан, горящие при низкой температуре.

В настоящее время на станции проводят интересное исследование по управлению пламенем при помощи электромагнитного поля. Огонь по сути – плазма, то есть газ заряженных частиц. Он реагирует на электрические и магнитные поля. В условиях наличия силы тяжести возникает сильная конвекция, чей эффект затмевает все прочие воздействия. В невесомости огнем можно управлять.

В космосе самые занятные эксперименты связаны с динамикой жидкости. В 1991 году астронавтам удалось, впрыскивая в специальную камеру капли минерального масла, добиться слияния двух капель в одну вращающуюся сферу. Для этого использовался звук: поперечная стоячая волна создавала зоны пониженного и повышенного давления, по которым капли жидкости смещались к центру камеры, где стабилизировались.

Для разработки новых лекарств на орбите проводились эксперименты по поведению жидкостей внутри других жидкостей. Первые такие опыты ставились в интересах материаловедения, но и фармацевты заинтересовались особенностями взаимодействия двух капель различных жидкостей или жидкости и газового пузырька. Эти знания понадобились для создания средств внедрения живых клеток в полимерную оболочку, которая позволит активному лекарственному веществу добраться до нужного органа и не быть уничтоженным реакцией иммунной системы. Так разрабатывается способ лечения диабета, когда больному дают не инсулин, а клетку поджелудочной железы, его вырабатывающую. Для исследования астронавты использовали воду с добавлением поверхностно-активного вещества, а также силиконовое масло. В невесомости экспериментаторы пытались разорвать капли и заставить их двигаться с помощью звуковых колебаний, электрического поля и потоков воздуха в течение длительного времени, что на Земле невозможно из-за гравитации и неминуемого падения капли.

Помимо создания новых материалов, на орбите их испытывают. В открытом космосе перепад температур от –180 °C до +180 °C и высокий уровень радиации. На Земле такие условия создать можно, но поддерживать их годами очень дорого. На орбите можно подвергать вещества такой закалке годами, что успешно и делается. Впервые в открытом космосе на долгое время размещались (процесс еще называют экспонированием) теплозащитные материалы для проекта Space Shuttle. На станции «Скайлэб» располагался стенд с разными образцами для сравнения. Почти сразу в СССР подхватили идею использовать открытый космос как лабораторию.

Уже на «Салюте‐7» за бортом станции испытывались образцы кабелей по программе «Спираль», образцы резьбовых соединений в эксперименте «Исток», образцов металлов в эксперименте «Ресурс», наборы пробирок с биополимерами в эксперименте «Медуза».

Перепаду температур материалы подвергались чуть меньше года, но с появлением орбитального комплекса «Мир» срок можно было увеличить. Так, специальные контейнеры «Эталон» с образцами покрытий и «Пленка» с образцами композиционных материалов провели за бортом два года. В основном они нужны были для последующих космических полетов. В развитии экспериментов еще пару лет «настаивались» сверхпроводящие материалы уже для земных установок. Новые исследования «Феррит» с образцами ферромагнитов и «Данко» с образцами полимеров и композитов помогли химикам понять, какие технологические процессы производства лучше.

Космонавты оставляли на орбите теплозащитные изделия в рамках эксперимента «Керамика‐2» и специальные тросы и крепежные элементы для исследования в эксперименте «Страховка». Сейчас подобные работы на МКС идут постоянно. В США программа именуется MISSE, в России – «Выносливость». За 23 года испытание открытым космосом прошло 5000 образцов материалов. Это краски, не выцветающие на солнце, оптические элементы, не боящиеся перепада температур, электронные компоненты с защитой от радиации, солнечные батареи, композитные и тонкопленочные материалы.

Еще одно перспективное направление в космонавтике – выплавка монолитных объектов сложной формы. На Земле жидкости растекаются и заполняют емкости и полости – очень удобно, если нужно отливать одинаковые прочные заготовки. Нагретое вещество в специальной форме застывает и приобретает нужный вид. Однако создать изделия очень сложной формы с отверстиями, изгибами, особенностями с трех сторон таким методом не получится. Что будет в таком случае в невесомости – большой вопрос. Ответить на него должны были космонавты. На станции «Скайлэб» был проведен эксперимент по армированию: заготовки из серебра и алюминия расплавляли и помещали внутрь нитевидные кристаллы карбида кремния. Так получался более крепкий материал, а за счет невесомости не было дефектов. Также астронавты изучали процессы деформации при плавке и последующем затвердевании. Серебряную решетку с крупными ячейками подвергали нагреву и охлаждению. Размер и форма ячеек при проведении подобной процедуры на Земле заметно отличаются – в невесомости изгибов и деформаций не происходит, а вот из-за теплового расширения конечный размер увеличивается.

В СССР первый эксперимент с целью создать объект сложной формы провели Леонид Попов и Валерий Рюмин на станции «Салют‐6» в 1980 году. В эксперименте «Лотос» жидкий полиуретан и химический затвердитель заливались в пресс-форму из натурального каучука. В итоге должен был