Космос — землянам - Георгий Береговой

Придумано немало способов очистки материалов в земных условиях. Но почти все они требуют создания космического вакуума, а на Земле это сопряжено с решением труднейших научно-технических проблем, с крупными затратами материальных средств. При переносе же в космос появляется возможность в комплексе использовать сразу два таких важных фактора, как невесомость и глубокий вакуум.

Существующие способы очистки привели, как считают специалисты, ко второму рождению материалов. Ну а если у самых чистых сегодня металлов, полупроводников, изоляторов удастся уменьшить примеси еще в десятки и сотни раз, не возродятся ли они в третий раз, проявив невиданные доселе свойства? Вот почему материаловеды так заинтересовались в пополнении фонда сверхчистых веществ. И в этом поиске космическая продукция призвана сказать свое слово. Она поступит в лаборатории химиков и физиков, фармакологов и биологов, металлургов и оптиков.

Необычные свойства приобретают вещества не только за счет сверхчистоты своего состава. Не меньшее значение имеет и совершенство внутренней структуры материала. Например, в металлах границы между кристалликами — самое уязвимое место. Именно там образуются микротрещины. Но если материал представляет собой единое целое или монокристалл, то в нем нет никаких границ. Поэтому его прочность близка к предельной, зависящей лишь от силы сцепления атомов. В 30-х годах ныне академики А. Александров и С. Журков, измерив прочность на растяжение кварцевых нитевидных кристаллов, получили поразительные результаты — 1300 кг/мм2. Это почти в десять раз больше, чем предел прочности высококачественной стали. Оказалось, чем тоньше нитевидные кристаллы, тем они прочнее. Волокна из сапфира, например, выдерживают усилия до 2000 кг/мм2.

Такие сверхпрочные нити технологи хотели использовать в так называемых композиционных материалах — композитах, где они играют роль своеобразной арматуры. Однако в земных условиях не удается вырастить длинные нити: под действием тяжести они гнутся, ломаются на отрезки, не превышающие нескольких миллиметров. В космосе же нет принципиальных ограничений для получения кристаллических нитей любой длины и выращивания монокристаллов значительных размеров.

В экспериментах на орбите уже удалось вырастить гораздо более крупные и совершенные кристаллы, чем в лабораториях на Земле. К тому же в невесомости они растут быстрее. Вот, скажем, перспективным материалом в полупроводниковой технике считается соединение, состоящее из атомов кадмия, ртути и теллура. Из такого материала можно изготовить эффективные фотоприемники инфракрасного излучения. Диапазон их «зрения», как полагают специалисты, был бы очень широк — от 1 до 35 микрометров (мкм). Напомню, что существующие сейчас электронно-оптические преобразователи принимают ИК-излучение с длиной волны лишь до 8 мкм. Но вот получить однородные монокристаллы такого соединения, у которых составные элементы распределялись бы равномерно по всему объему, никак не удавалось. Попытались это сделать Ю. Романенко и Г. Гречко на станции «Салют-6». Они расплавили, а затем охладили твердый раствор «кадмий — ртуть — теллур». Результаты порадовали специалистов: монокристалл образовался с неплохой однородностью, без пор. Конечно, потребуются новые эксперименты, чтобы отыскать пути к полному успеху. Однако эти трудности преодолимы.

Сейчас все большее распространение в технике получают системы волоконной оптики. Один из основных элементов этих систем — световод — тонкая стеклянная нить. Луч, войдя в один конец световода, как вода в трубе, распространяется внутри его, многократно отражаясь от его внутренних стенок, выходит из другого. Такую трубку-волокно можно буквально завязать в узел. С помощью световых, то есть весьма коротких электромагнитных волн, по световоду можно передавать гораздо больше информации, чем, скажем, посредством радиоволн. Световод толщиной в одну сотую миллиметра, как уверяют специалисты, вполне способен обеспечивать прохождение сразу 12 телевизионных программ или сотни тысяч телефонных переговоров. Если вместо обычных проводов на современном самолете применить стекловолоконные, это уменьшит в несколько раз вес радиосвязного оборудования. Словом, у волоконной оптики заманчивое будущее. Дело только за технологами — от них ждут подходящих стеклянных нитей. Но получить их непросто.

Качество световода зависит от точности соотношения между диаметрами стержня и оболочки, а также между их показателями преломления. Попадись на границе раздела неоднородности, превышающие по размеру длину волны света, — и хорошего световода не получится. Такое же нежелательное влияние оказывает и загрязнение стекла тяжелыми ионами, парами воды. Уберечься от этих «технологических врагов» в земных условиях чрезвычайно трудно. А вот в космосе справиться с ними проще. В невесомости легче удалить ненужные примеси при бесконтейнерной плавке и выравнивать диаметры за счет преобладающей роли сил поверхностного натяжения в расплаве стекла.

Надо сказать, что технология получения стекла очень сложна. По этой причине и космические эксперименты со стеклом пока еще довольно редки. В марте и декабре 1976 года при запуске советских высотных ракет впервые проделали опыты с плавкой стекла. Через два года на борту космического комплекса «Салют-6» — «Союз-29» — «Союз-31» летчик-космонавт ГДР З. Иен провел плавку специального оптического стекла, которая длилась 20 часов, на установке «Сплав-01». Исследования полученных образцов, по мнению технологов, принесли любопытные и ценные данные. Таковы первые шаги. И все же специалисты уверены, что в орбитальном литейном цехе удастся производить тонкие и очень длинные стеклянные нити, которые на Земле неизбежно разрываются от собственной тяжести, не успев затвердеть. Так что стеклопроводы длиной в сотни метров будут сугубо космической продукцией. Разумеется, это не придет само. Космос не слишком охотно открывает свои секреты. Вспомним хотя бы поучительную историю с попыткой получить на орбите идеальные шарики.

Начну с такого интересного явления: капля жидкости в невесомости свободно висит в пространстве, ни на что не опираясь, и при этом непременно принимает форму шара. Кстати, образуется не просто жидкий шар, а сверхточный. Под действием сил поверхностного натяжения его форма близка к абсолютной сфере. Например, по расчетам для капли расплавленного алюминия, находящейся на высоте 320 километров от Земли, отклонения от идеала составят какие-то десятимиллионные доли процента. Это в тысячи раз меньше, чем существующие допустимые нормы для шарикоподшипников.

Современные литейные формы и прокатные станы, штампы, режущие и шлифовальные инструменты не в состоянии сделать шарики так близко к абсолютной сфере, если, конечно, не идти на непомерные затраты времени и средств. Между тем отклонения от идеальной формы вызывают биения, особенно при высоких оборотах вращения. И они — одна из главных причин износа подшипников. Расчетная долговечность шариковых подшипников, скажем, трамвая, грузовых автомобилей, токарных, фрезерных и некоторых других станков не превышает 20 тысяч часов — приблизительно два года непрерывной работы. У стационарных молотилок в пять раз меньше, а в комбайнах и вовсе около полутора месяцев. Согласитесь, этого явно недостаточно. Неудивительно, что технологи в одном из первых своих экспериментов на орбите решили прежде всего попробовать выплавить идеальные шарики.

Казалось, все предельно ясно, и удача сама упадет в руки. Может быть, поэтому опыт решили не слишком усложнять — ведь и нужно-то было для начала лишь подтвердить столь очевидный принцип. Это был эксперимент «Сфера», который поручили провести космонавтам Б. Волынову и В. Жолобову на борту орбитальной станции «Салют-5».

В космос взяли заготовки из сплава Вуда, в который входят висмут, свинец, олово и кадмий. Он отличается низкой температурой плавления — чуть выше 60 градусов: удобное свойство — можно легко и быстро расплавить. И вот металл расплавили на борту станции. Поршнем его выдавливали из печи в лавсановый мешочек длиной около 30 сантиметров. Полагали, что жидкая масса, падая, успеет в таком пространстве оформиться и затвердеть, прежде чем прикоснется к стенке. И что же увидели, когда на Земле вскрыли мешок?

Перед обескураженными специалистами лежали совсем не шарики и даже не горошины, а бесформенные, хотя и округлые, кусочки металла. Их поверхность удручала еще больше: она вся была покрыта хаотически расположенными волокнами. «Какой-то еж-уродец», — прокомментировал В. Жолобов. Как показал анализ, внутренняя структура образца в результате переплава на орбите тоже сильно изменилась: нарушилось равномерное распределение компонентов по объему, образовались отличающиеся по составу иглообразные кристаллики и т. д. Попробовали в лаборатории подобрать условия плавки, при которых получились бы сходные структуры — ничего не вышло. Добавлю, что и в эксперименте «Универсальная печь», проведенном в совместном советско-американском полете «Союз» — «Аполлон», было обнаружено аналогичное ухудшение однородности сплава. Объяснения столь странному итогу космической плавки ученые пока не находят — нужны дальнейшие исследования. В общем, атака в лоб себя не оправдала, значит, нужна планомерная, упорная осада.