Помоги проекту - поделись книгой:
Влияние условий, близких к невесомости, на технологию производства стекла может быть различным. Во-первых, в невесомости можно осуществить бесконтейнерное плавление, резко уменьшив таким образом поступление в материал вредных примесей со стенок тигля, в котором варится стекло. Во-вторых, можно обеспечить стабильность жидких смесей, компоненты которых сильно различаются по плотности. В-третьих, отсутствие свободной конвекции уменьшает вероятность появления случайных центров кристаллизации, способствует улучшению однородности. В-четвертых, преобладающую роль капиллярных сил можно использовать для того, чтобы придать жидкому расплаву перед затвердеванием необходимую форму (волокна, пленки и т. п.). Использование перечисленных факторов позволяет рассчитывать на (получение в процессе космического производства улучшенных или качественно новых сортов стекол, а также изделий из стекла.
На рис. 12 показано, как меняется с температурой объем расплавленной стеклообразующей массы. Когда по мере остывания расплава достигается температура затвердевания
Рис. 12. Изменение объема жидкости с температурой в процессе варки стекла (
Вместе с тем для успешного развития производства-стекла в космических условиях, по-видимому, придется преодолеть ряд технических трудностей: удаление нежелательных газовых пузырьков из стеклообразной массы в отсутствие плавучести, обеспечение заданного темпа охлаждения без естественной конвекции, контроль температурного режима охлаждения и допустимого уровня случайных ускорений в условиях бесконтейнерного удержания стеклообразной массы.
Все сказанное об особенностях производства стекла в космических условиях относится также и к получению керамики.
Рассмотрим кратко некоторые перспективные направления космического производства стекла и керамики. Цель этих исследований состоит в том, чтобы изучить возможности получения стекол с улучшенными оптическими характеристиками, с высокой температурой плавления, поглощающих и отражающих тепло, для изготовления твердотельных лазеров[11], устойчивых по отношению к химически активным средам и сохраняющих свои свойства в течение длительных отрезков времени, полупроводниковых стекол с «памятью» для интегральных схем [12].
Космическое производство этих стекол может дать ряд преимуществ. Стекла с полупроводниковыми свойствами, например, обладают высоким коэффициентом преломления в инфракрасной области. При выплавке их на Земле трудно обеспечить достаточную оптическую однородность. Другой пример — производство стекол для твердотельных лазеров, содержащих примеси с высокой концентрацией (неодим, иттербий и др.). В космосе можно повысить однородность распределения примеси и одновременно снизить поступление вредных загрязнений со стенок контейнера.
Благодаря отсутствию силы Архимеда и преобладающей роли капиллярных сил в условиях, близких к невесомости, бесконтейнерным методом можно производить изделия из стекла, состоящие из разнородных исходных материалов и обладающие высоким совершенством поверхности. В качестве примера приведем твердые фильтры, которые представляют собой взвесь малых прозрачных частиц внутри прозрачного материала, подобранные таким образом, чтобы показатели преломления этих частиц и материала совпадали лишь для одной длины волны. В результате световое излучение лишь этой длины волны будет проходить сквозь фильтр без потерь, а для всех других длин волн будет происходить сильное рассеивание и поглощение света за счет многократных отражений между частицами. В невесомости можно добиться высокой однородности распределения частиц в основном материале.
Бесконтейнерное производство стекла в космических условиях может привести к уменьшению относительного числа некоторых наиболее типичных дефектов. К таким дефектам относятся:
1) кристаллы, т. е. включения, выделяющиеся из самого стекла в процессе затвердевания;
2) инородные включения (бесконтейнерное стеклование в состоянии резко снизить их концентрацию);
3) свили, т. е. прослойки одного стекла в другом, обладающем иным химическим составом (источником свилей также в значительной степени служит поступление загрязнений со стенок тигля);
4) пузыри, т. е. газовые включения, для их устранения в условиях, близких к невесомости, жидкую стеклообразную массу, возможно, придется подвергать специальной обработке (вращение, вибрация и т. п.).
Существенного улучшения материала можно ожидать также и в случае производства в космосе волоконных световодов. Такой световод обычно представляет собой стержень из стекла с высоким коэффициентом преломления, окруженный стеклянной оболочкой с более низким коэффициентом преломления. Большое различие между этими коэффициентами обеспечивает малое поглощение и высокий коэффициент пропускания по светопроводу.
Качество светопровода зависит от точности соотношений между диаметрами стержня и оболочки, а также между их показателями преломления. Если на границе раздела стержня и оболочки имеются неоднородности размером не меньше длины волны света (разница диаметров, дефекты структуры стекла, неоднородность показателей преломления и т. д.), то на них световая энергия будет частично рассеиваться и поглощаться. На величину поглощения сильно влияет также загрязнение стекла (тяжелыми ионами, парами воды и т. п.) В космических условиях возможно усовершенствование технологии производства волоконных световодов за счет удаления нежелательных примесей при бесконтейнерной плавке, выравнивания диаметров за счет преобладающей роли сил поверхностного натяжения в расплаве.
В качестве примера перспективных керамических материалов, производство которых в космосе может оказаться выгодным, приведем эвтектики, затвердевающие в одном направлении. Этим методом в керамическую основу могут быть внедрены металлические нити.
Высказываются также предложения о производстве в космосе еще одного типа керамических материалов — композиционных микросхем. Эти керамики состоят из стеклообразной массы, включающей взвешенные частицы, которые определяют электронные характеристики материалов. В условиях невесомости можно рассчитывать на повышение их однородности.
Ввиду сложности технологии получения стекла экспериментальные исследования на космических аппаратах в этом направлении сильно отстали от работ в других областях космического производства. В марте и декабре 1976 г. при запуске в СССР высотных ракет были впервые осуществлены эксперименты по плавке стекла. С использованием экзотермических источников энергии исследовались процессы плавления и стеклообразования в условиях, близких к невесомости, на примере стекла с наполнителем (стекло с алюминием), а также особо прочного фосфатного стекла. Доставленный из космоса образец фосфатного стекла частично состоит из зон с газовыми включениями, а частично — из зоны однородного материала. У полученного сплава алюминий—стекло отмечены полупроводниковые свойства.
Медико-биологические препараты
Одна из важных задач, связанных с производством медико-биологических препаратов (вакцин, ферментов, гормонов и т. п.), состоит в их очистке. Известно, например, что повышение чистоты используемых вакцин уменьшает при их употреблении вероятность проявления вредных побочных эффектов, а это, в свою очередь, позволяет повысить дозировку и поднять эффективность лечебного препарата.
Один из наиболее распространенных способов очистки и разделения клеточного биологического материала основан на использовании электрофореза. Это явление наблюдается в дисперсных системах, т. е. таких системах, которые состоят из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними, причем одна из фаз (дисперсная фаза) распределена в виде мелких частиц — капелек, пузырьков и т. п. — в другой фазе (дисперсионная среда). К числу дисперсных систем относятся биологические вещества. Если к такой среде приложить внешнее электрическое поле, то под его влиянием дисперсные частицы, взвешенные в жидкости, начинают двигаться. В этом и состоит явление электрофореза.
Взвешенные в жидкой среде дисперсные частицы приходят под действием электрического поля в движение, потому что они обладают электрическим зарядом. Поскольку разные органические молекулы обладают разным электрическим зарядом, скорость, которую они приобретают в электрическом поле, различна. На этом различии скоростей и основан метод электрофоретического выделения из дисперсной среды необходимых фракций и очистки биологических материалов. Схема экспериментальной установки, построенной на основании этих принципов, показана на рис. 13.
Рис. 13. Электрофорез в свободном потоке жидкости (1 — подача раствора; 2 — отбор фракций). Разделение фракций осуществляется в направлении, перпендикулярном течению раствора между электродами
В земных условиях использование метода электрофореза для разделения компонентов жидкости сталкивается с несколькими трудностями. Во-первых, наблюдается частичное перекрытие фракций, вызванное свободной конвекцией, а также термической конвекцией, обусловленной возникновением дополнительных перепадов температуры и плотности раствора за счет его нагрева при прохождении электрического тока. По этой причине величину тока, который можно пропустить через раствор, сильно ограничивают, чтобы не допустить нежелательного перегрева жидкости. А это означает, что производительность установки по разделению биологических материалов сравнительно невысока. Кроме того, из-за различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды под действием силы Архимеда возможно их разделение.
В космических условиях эти трудности можно преодолеть. Прежде всего это касается возможности ограничить роль конвекции и, следовательно, улучшить степень очистки и повысить производительность установок. Другое возможное преимущество электрофоретического метода в условиях невесомости связано с отсутствием влияния плотности на разделение фаз. В земных условиях ют плотности зависит вязкость, величину которой можно менять, добавляя в раствор большое количество малых молекул или малое количество больших молекул. В невесомости этот способ управления вязкостью раствора становится особенно удобным из-за отсутствия силы Архимеда. В результате открывается возможность управлять вязкостью среды как независимым параметрам, который не связан с плотностью. Реализовать эту возможность на Земле, разумеется, нельзя.
С целью непосредственной проверки этих выводов в космических условиях западногерманскими и американскими учеными был поставлен ряд экспериментов, выполненных на станции «Скайлэб» и при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон». В эксперименте на «Скайлэб» был испытан прибор, в котором невозмущенный поток жидкости протекал между двумя пластинами, к которым было приложено электрическое поле. Частицы вводились в раствор на одном конце прибора и удалялись через отверстия, расположенные на другом его конце. В земных условиях из-за перемешивающих конвекционных потоков расстояние между пластинами не удавалось сделать больше 1–2 мм. В космических условиях его удалось увеличить до 5 — 10 мм. Этот результат подтвердил возможность повысить производительность прибора и улучшить его разрешающую способность.
В эксперименте прибор сходного типа был применен для разделения клеток крови и исследования ограничений, накладываемых конвекцией и осаждением частиц. Благодаря уменьшению влияния конвекции удалось увеличить глубину камеры и в результате повысить в 6,5 раза производительность установки. Разрешающая способность по сравнению с опытами, проводившимися на Земле, возросла в 1,5 раза.
В другом эксперименте также исследовалась возможность получения чистых биологических препаратов в условиях подавленной конвекции на примере клеток крови и почек, в частности, была поставлена задача выделить в чистом виде урокеназу. Урокеназа — это единственный фермент, вырабатываемый в человеческом организме, который способен растворять образовавшиеся тромбы. Если удастся выделить фермент урокеназу в чистом виде и выяснить процесс его выработки почечными клетками, то появится возможность его производства в достаточных количествах и на Земле. Урокеназа — эффективное средство борьбы с тромбофлебитом и такими сердечно-сосудистыми заболеваниями, как инфаркт, инсульт и т. д. Согласно имеющимся сообщениям данный эксперимент также выполнен успешно. В целом, однако, в области электрофореза сделано пока значительно меньше, чем в других направлениях исследований по космической технологии.
Комплексные технологические эксперименты
Для всестороннего исследования особенностей, возникающих при протекании физических процессов в невесомости, а также для выявления относительной перспективности (для космического производства) конкретных технологических процессов необходимо перейти к проведению массовых экспериментальных исследований на космических аппаратах различного типа. Современное состояние исследований и разработок в области космического производства, ведущихся в Советском Союзе, характеризуется именно переходом к этому этапу.
Советская программа космических исследований в области технологии и производства предусматривает проведение подобных комплексных экспериментов, и это явится новым этапом исследований и разработок советских ученых в данной области и, в свою очередь, обусловливается успехами, достигнутыми на предшествующем этапе. В частности, обширный комплекс технологических экспериментов самого массового характера был осуществлен совсем недавно при запусках высотных ракет и во время полета орбитальной космической станции «Салют-6» с космонавтами на борту. Проводимые в рамках единой исследовательской программы, эти эксперименты взаимно дополняли друг друга.
27 декабря 1977 г. в Советском Союзе был осуществлен запуск высотной ракеты, который позволил выполнить одновременно несколько десятков разноплановых технологических экспериментов. Для их проведения был разработан специальный комплект технологических приборов — СКАТ, в которых для нагрева и плавления исследуемых веществ использовалось тепло экзотермических химических реакций. Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались вдоль оси нагревательных ячеек, имеющих цилиндрическую форму.
Продолжительность состояния невесомости в этом эксперименте составляла около 10 мин. Поэтому, для того чтобы обеспечить достаточно быстрое затвердевание расплавленных веществ перед тем, как состояние невесомости прекратится (при входе ракеты в плотные слои атмосферы), была применена специальная система теплосброса. Она работала по принципу «тепловой губки», основанному на отводе выделяющегося тепла в массивную алюминиевую обойму.
Полная масса комплекта приборов СКАТ (вместе с системой теплосброса) составляла 137 кг. В разных ампулах в зависимости от задачи эксперимента обеспечивалось получение различных температур. Диапазон максимальных температур, реализованных с помощью аппаратуры СКАТ, составлял 600 — 1700 °C.
Программа экспериментов, осуществленных с помощью комплекта СКАТ, включала в себя изучение широкого круга веществ: композиционные материалы, пенометаллы, специальные сплавы, полупроводники. В целях повышения достоверности результатов почти все эксперименты были продублированы.
Проведение технологических экспериментов комплексного характера было включено в программу работ, проводимых советскими космонавтами на орбитальном научно-исследовательском комплексе «Салют-6» — «Союз-27».
11 января 1978,г. к космонавтам Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко, прибывшим на станцию «Салют-6» на космическом корабле «Союз-26», присоединился экипаж корабля «Союз-27» — космонавты В. А. Джанибеков и О. Г. Макаров, которые впоследствии вернулись на Землю с помощью корабля «Союз-26». В спускаемом аппарате корабля «Союз-26» были доставлены на Землю материалы с результатами исследований и экспериментов во время полета орбитальной станции «Салют-6» в течение более трех месяцев.
22 января 1978 г. была осуществлена стыковка с пилотируемым научно-исследовательским комплексом «Салют-6» — «Союз-27» автоматического грузового транспортного корабля «Прогресс-1». Впервые в истории космонавтики с помощью автоматического корабля была осуществлена транспортная операция по доставке на пилотируемую орбитальную станцию оборудования, аппаратуры и материалов для обеспечения жизнедеятельности экипажа и проведения научных исследований и экспериментов, а также топлива для дозаправки двигательных установок.
С помощью «Прогресса-1» на станцию «Салют-6» было доставлено оборудование, предназначенное и для выполнения цикла технологических экспериментов. В него, в частности, входит установка «Сплав-01», которая состоит из электронагревной печи ампульного типа и небольшого компьютера, предназначенного для автоматического управления тепловым режимом. Внутренняя полость печи имеет три зоны: с высокой и низкой температурами, а между ними — с перепадом температур (максимальная температура около 1000 °C). Конструкция печи позволяет вести эксперименты одновременно с тремя ампулами, заполненными исследуемыми веществами.
Приступив к подготовке технологических экспериментов, Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко разместили печь в шлюзовой камере, имеющейся в рабочем отсеке станции «Салют-6», через которую экипаж выбрасывает бытовые отходы (у камеры имеется два люка — один ведет внутрь станции, другой — в окружающее космическое пространство). Затем космонавты через специальные герметические разъемы соединили шлюзовую камеру с пультом управления, установленным внутри станции. После этого был закрыт внутренний люк камеры и открыт наружный, так что печь оказалась в космическом вакууме. Такие условия работы печи были выбраны для того, чтобы обеспечить отвод от нее тепла путем излучения непосредственно в окружающее космическое пространство.
Завершив подготовку аппаратуры, 14 февраля 1978 г. космонавты Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко приступили к проведению первого технологического эксперимента. При этом станция была переведена в режим дрейфа (при котором отключаются двигатели системы ориентации) с целью уменьшения влияния малых ускорений на ход эксперимента. С той же целью значительная часть эксперимента проводилась во время сна космонавтов. Ампулы, установленные в электронагревную печь в первом технологическом эксперименте, содержали соединения медь—индий, алюминий—магний и антимонид индия.
16 и 17 февраля на станции «Салют-6» был проведен второй технологический эксперимент, который продолжался 31 ч и в котором исследовались реакции между твердым вольфрамом и расплавленным алюминием, а также процесс пропитки пористого молибдена жидким галлием. Как предполагают специалисты, последний материал может обладать сверхпроводящими свойствами.
Новый этап в развертывании программы технологических экспериментов на орбитальной станции «Салют-6» был связан с успешным полетом космического корабля «Союз-28», пилотируемого первым международным экипажем в составе летчика-космонавта СССР А. А. Губарева и космонавта-исследователя, гражданина ЧССР В. Ремека.
3 марта 1978 г. корабль «Союз-28» был состыкован с орбитальным комплексом «Салют-6» — «Союз-27». Космонавты А. А. Губарев и В. Ремек доставили на борт орбитального научно-исследовательского комплекса изготовленную в Институте физики твердого тела АН ЧССР капсулу, которая содержала две ампулы, заполненные образцами из хлоридов серебра и свинца и хлорида одновалентной меди. Эти вещества были выбраны потому, что они обладают ценными оптико-акустическими свойствами. Хлорид одновалентной меди является известным электрооптическим материалом, а хлорид серебра широко используется в аппаратуре для регистрации инфракрасного излучения. Совместный советско-чехословацкий эксперимент с этими веществами получил название «Морава».
Приступив 4 марта 1978 г. к осуществлению этого технологического эксперимента, космонавты разместили обе ампулы с исследуемыми веществами в электронагревной печи установки «Сплав-01», поместив их в зону с перепадом температуры. Максимальная рабочая температура печи в этом эксперименте составляла около 500 °C, а полная продолжительность процесса перекристаллизации образцов после того, как они были расплавлены, достигла приблизительно 40 ч. Такой режим проведения эксперимента был выбран в связи с тем, что для этого необходимо было обеспечить улучшение структуры исследуемых веществ по сравнению с контрольными образцами, полученными на такой же установке в земных условиях.
В процессе эксперимента космонавты контролировали работу компьютера установки «Сплав-01», который обеспечивал поддержание заданного температурного режима. После завершения эксперимента «Морава» капсула с исследуемыми веществами была упакована и доставлена А. А. Губаревым и В. Ремеком на Землю.
Проведение эксперимента «Морава» знаменует собой начало нового направления совместных космических исследований социалистических стран — участниц программы «Интеркосмос». К исследованиям в области космической физики, метеорологии, биологии, исследованиям природных ресурсов Земли добавляются теперь технологические эксперименты. В последующих полетах международных экипажей технологические эксперименты будут продолжены. В частности, программой «Интеркосмос» предусмотрены запуски в 1978 г. космических кораблей «Союз», в экипажи которых войдут представители Польской Народной Республики и Германской Демократической Республики. В рамках единой программы научных и технологических исследований и экспериментов на борту орбитального научного комплекса на базе станции «Салют-6» космонавтам из социалистических стран предстоит выполнение задач возрастающего объема и сложности.
Перспективы развития космического производства
Первые технологические эксперименты в космосе были выполнены всего лишь несколько лет назад. И хотя с тех пор прошло совсем немного времени, исследования и космические эксперименты, проведенные в СССР и за рубежом, позволили получить научные и технические результаты, на основании которых можно дать предварительную оценку перспектив производства в космосе новых материалов. Какие же основные выводы можно сделать, анализируя результаты экспериментов, выполненных к настоящему времени?
В целом подтверждены общие представления об особенностях физических процессов в невесомости, но одновременно выявлена недостаточность многих теоретических моделей и показана необходимость проведения специальных исследований, направленных на развитие теоретических основ космического производства. Экспериментально подтверждена возможность получения в космосе полупроводниковых монокристаллов, специальных сплавов, композиционных и других материалов с улучшенными характеристиками, а также таких веществ, получение которых на Земле невозможно. Непосредственно подтверждена возможность улучшить разрешающую способность и повысить производительность установок для электрофоретического разделения биологических препаратов.
Таковы наиболее общие итоги приблизительно 60 экспериментов, проведенных к настоящему времени на различных космических аппаратах в СССР и за рубежом. И хотя сделано уже немало, еще больше предстоит сделать, прежде чем космическое производство превратится в самостоятельную экономически эффективную отрасль народного хозяйства. Отметим наиболее важные задачи, которые необходимо решить для того, чтобы обеспечить достижение этой цели.
Во-первых, следует перейти от экспериментов, поставленных на сравнительно простых приборах, к широким экспериментальным исследованиям с использованием специализированных бортовых установок, в которых будут в полной мере учтены специфические особенности работы в космосе и которые позволят в максимальной степени использовать преимущества, связанные с этими особенностями. Задача создания подобных установок является одной из первоочередных. Во-вторых, необходимо провести всесторонние исследования влияния факторов космического полета — и в первую очередь невесомости — на закономерности физико-химических процессов в веществе с целью выявить оптимальные режимы технологических процессов получения новых материалов на борту космических аппаратов. В-третьих, следует обеспечить развитие теоретических основ космического производства, включая развитие методов численного моделирования процессов в веществе.
Конечная цель исследований в области космического производства состоит в его превращении в перспективную отрасль промышленности, обеспечивающую достаточно высокую технико-экономическую эффективность. Из-за высокой стоимости космических полетов выгодно производить в космосе лишь уникальные дорогостоящие продукты, годовая потребность в которых сравнительно невелика (килограммы или десятки килограммов в настоящее время, сотни или тысячи килограммов после создания эффективных многоразовых транспортных космических кораблей). Поэтому для правильного определения перспектив и путей дальнейшего развития работ в области космического производства большую роль играют исследования его технико-экономической эффективности.
Рассматривают возможность производства в космосе кристаллов граната, применяемых в элементах памяти ЭВМ, с целью улучшения их характеристик. Потребности в этих кристаллах в 80-е годы, согласно зарубежным данным, будут характеризоваться стоимостью более 1 млрд. долл. Если часть этих потребностей будет покрываться за счет космического производства, то это также даст ощутимую экономию средств. Если удастся организовать в космосе производство некоторых материалов, например, новых сверхпроводящих сплавов с повышенной критической температурой или оптического стекла для мощных лазеров, то это буквально революционизирует целые отрасли техники.
Особого внимания заслуживают исследования, направленные на организацию производства в космосе новых или улучшенных медико-биологических и фармацевтических препаратов. Успешные эксперименты по получению фермента урокеназы, проведенные вовремя полета кораблей «Союз» — «Аполлон», свидетельствуют, что в этом направлении можно ожидать новых важных результатов. Продолжение работы в этом важном направлении может дать ощутимый вклад в развитие здравоохранения и обеспечить значительный экономический эффект. Согласно оценкам зарубежных специалистов, к 2000 г. в космосе будет производиться в год до 30 т биологических препаратов (ферменты, вакцины и т. п.) общей стоимостью порядка 17 млрд. долл.
Успехи ракетно-космической техники вооружили человека новым фактором, который он может использовать в своей производственной деятельности — длительным состоянием невесомости. Можно ли сомневаться в том, что наши современники — ученые, инженеры, конструкторы, технологи — сумеют поставить и этот фактор на службу человечества? Весь опыт истории науки и техники свидетельствует о том, что это обязательно произойдет.
Не следует, однако, думать, что такой вывод автоматически открывает безоблачные перспективы перед грядущим развитием космического производства. Напротив, из него вытекает необходимость проведения более углубленных исследований по всей проблеме, выполняемых в рамках единой программы комплексного характера. Нет сомнений, что именно такой подход обеспечит быстрое развитие нового направления деятельности человека в космическом пространстве — производства в космосе новых материалов.
Литература
Невесомость. Физические явления и биологические эффекты. М., «Мир», 1964.
Processing and manufacturing in space. Proceedings of symposium, Frascati, Italy, 1974.
Material in space. Proceedings of symposium, Frascati, Italy, 1976.,
Поделиться книгой: