На днях на Международной космической станции начались опыты по выращиванию идеальных кристаллов в отсутствие гравитации. Особенность именно этой группы экспериментов в том, что выращиваемый объект будет поддерживаться «на весу» звуком, а значит, останется ультрачистым.

SpaceDRUMS (Space Dynamically Responding Ultrasonic Matrix System) — разработка канадской фирмы Guigné International. Компания была основана Жаком Ивом Гине (Jacques Yves Guigné) в 1989 году. Жак работает с NASA уже около 17 лет и давно проталкивал идёю создания «акустического левитирующего устройства».

Поначалу предполагалось, что SpaceDRUMS отправится к МКС в 2003 году. Но из-за гибели шаттла Columbia программу пришлось свернуть на несколько лет.

В результате первые модули SpaceDRUMS были отправлены и установлены на МКС только в ноябре-декабре 2008 года. Последние же недостающие части оборудования прибыли с шаттлом Discovery буквально на днях, и система была наконец-то собрана полностью. Теперь SpaceDRUMS готова к началу работы.

Отметим также, что с японским космическим грузовиком HTV (мы рассказывали о нём ), дебютный старт которого запланирован на 11 сентября этого года, на МКС прибудут дополнительные образцы для проведения экспериментов.

Додекаэдрическая камера SpaceDRUMS заполнена аргоном, внутри расположены несколько источников звуковых волн. Аргон – инертный газ, а потому он не взаимодействует с веществами внутри камеры, при этом являясь проводящей средой для звука.

Сама реакционная камера (справа внизу) гораздо меньше, чем контрольная аппаратура, которая управляет процессами внутри неё (фото NASA).

«Лучи звуковой энергии, как невидимые нежные пальцы, будут поддерживать плавающий образец в центре контейнера, чтобы он не касался стенок сосуда. В отсутствие гравитации и прикосновений к каким-либо манипуляторам или стенкам можно получить очень чистые структуры», — объясняет Гине.

Основная задача новой космической лаборатории – выращивание больших кристаллов веществ. Такие материалы наверняка будут востребованы на Земле, и уже сейчас ясно, что стоить полученные объекты будут сотни тысяч долларов (в зависимости от используемого вещества).

Пока планируется вырастить пористый образец стеклокерамики. Всё начнётся с гранул спрессованного серого порошка. После нагрева они станут керамическим материалом (что уже показано на Земле). Учёные надеются, что в условиях космоса молекулы вещества перестроятся таким образом, что образуются поры.

Специалист NASA Джули Робинсон (Julie Robinson) отмечает, что в SpaceDRUMS можно работать практически с любым веществом и выращивать объекты диаметром с мяч для бейсбола или гольфа. Между тем предыдущие образцы, полученные в условиях микрогравитации, не превышали в длину нескольких миллиметров. Гине считает, что в будущем наибольшим спросом будут пользоваться выращенные таким образом полупроводники.

Пока же аппаратура будет доступна для работы студентов-физиков, которые выполняют дипломные работы в университете Бата (

July 15th, 2009 , 03:29 pm

Интереснейшие письма. Даю их без правки.

в 80-е годы мы работали над созданием металлургического производства в космосе. дело в том что при выращивании монокристалов кремния и германия на земле на специальных химико-металлургических заводах /один у россии остался в подольске, под москвой/, из этих монокристаллов получают подложки на которых выращивают микросхемы /микрочипы/. при этом и у японцев и у нас в СССР в брак уходит примерно 96% и выход годного не превышает 4%. но в СССР были проведены эксперименты по выращиванию в космосе монокристаллов кремния и германия. так вот из этих кристаллов, выращенных в космосе, при изготовлении микросхем выход годного был равен 99,99999999999999999999999999........... ........%.
вот такие дела. В 86 году финансирование этой тематики было прекращено.
работал я в НИИТМ, это система МОМ.
наш филиал был в днеппропетровске (ДФ НИИТМ),
в Златоусте (УФ НИИТМ)
при завершении этой работы весь мир был бы в руках у россии.

Вы же понимаете что каждый занимался своим маленьким кусочком работы. но суть проблемы в том, что при выращивании монокристаллов на земле, монокристаллы изобилуют дефектами на атомарном уровне - дислокациями, вакансиями, то есть или отсутствием атомов в кристаллической решетке, или наоборот избытком атомов в решетке. сделанная из таких дефектных монокристаллов подложка не позволяет вырастить нормальную микросхему, состоящую из миллионов элементов. выращенные в космосе с помощью экспериментальной установки "Сплав" монокристаллы были лишены тех дефектов, которые получает монокристалл выращенный на земле. тут сказыцвается и невесомость и глубокий ваккум и возможно какие то факторы, которые нам не известны. попытки химико-металлургического завода решить проблему на земле путем дефектоскопии монокристаллов ни к чему не привели, так как обнаружить наличие или отсутствие атома в кристаллической решетке пока не решаемо. но даже если и решаемо, то ведь кристалл то уже выращен дефектный!!!
а в космосе он растет БЕЗДЕФЕКТНЫЙ!
мы занимались вопросом создания системы неразрушающего контроля конструкции самого завода в космосе. завод разрабатывался как безвредное предприятие. все отходы литейного производства должны были отправлятся на солнце.
разрабатывались и конструкция предприятия и система доставки шихты и возврата на землю готовой продукции.
финансирование тематики прекратилось в 86 годк (примерно)
на нашем институте, который назывался НИИТМ (Марьина роща) сейчас висит этикетка "РОСКОСМОС", а по территории опытного производства бегают крысы...............
ладно, не буду больше. так у меня и ВИЛС уничтожили, на котором я более 20 лет проработал, и КБ "Сатурн" А.М.Люльки

"НИИТМ" научно-исследовательский институт технологии машиностроения. это отраслевой институт в Министерстве Общего Машиностроения (МОМ)
территориально находится в районе "Иарьина Роща"

завод предполагалось строить из сборных конструкций, доставляемых с земли и свариваемых в космосе. завод должен был обслуживаться сменными бригадами и сажать его на землю не предполагалось. разрабатывались и, возможно, были разработаны и сами части конструкции для сборки и корабли для доставки этих конструкций на место монтажа. разрабатывались вопросы энергетического обеспечения литейного процесса и выращивания монокристаллов. думаю что и доставка шихты и удаление готовой продукции должно было быть максимально автоматизировано, но промышленное производство здорово отличается от эксперимента, так что мои домыслы о сменных бригадах скорее всего верны.
даже не производя всего комплекса ныне существующих микрочипов, а торгуя одними подложками для их производства, россия могла бы не вывозить ни нефть, ни газ, и никакое сырье.
обогнать в этом направлении СССР было невозможно. вот поэтому его и убили - СССР

ВОЗМОЖНОСТИ КОСМОСА

Помните, в США проводили конкурс среди детей. Надо было придумать космический эксперимент. Один мальчик предложил посмотреть, каким образом в невесомости будет плести свою паутину паук?

Предложенный школьником опыт может быть отнесен к экспериментам в области космической технологии, поскольку преследуемая цель - исследовать технологию плетения паутины в космосе. Интуитивно молодой исследователь предполагал, что в невесомости земная технология будет уже непригодна. Первые нити на Земле паук образует спускаясь с чего-нибудь, например, с ветки. А как это сделать в пространстве, где нет верха и низа? Надо «придумывать» новую технологию. И очень интересно, как паук справится с этой задачей...

Подобными вопросами задавались ученые-технологи, ставившие технологические эксперименты в космосе. В отличие от паука, который в невесомости растерялся и стал плести «неорганизованную» паутину, специалисты по космической технологии имели первоначальные представления, сформулированные еще К. Э. Циолковским. Но, конечно, вопросов было немало. Как будут расти кристалы в космосе? Что получится, если смешать не смешивающиеся на Земле расплавы различных металлов?..

Другими словами, космическая технология как новая область человеческих знаний на первых порах изучала особенности протекания на борту космического аппарата производственных процессов, связанных с получением различных материалов.

В космосе многое не очень похоже на земные условия: иначе кипит вода, нет привычного бурления жидкости, а из носика чайника не вырывается струя пара. В космосе иначе горит свеча. На Земле нагретый пламенем воздух поднимается вверх, а ему на смену приходит свежий, богатый кислородом, необходимым для процесса горения. А в космосе, если искусственно не обеспечить приток свежего воздуха, свеча погаснет, израсходовав кислород вокруг фитиля.

В космосе при отсутствии силы тяжести начинают проявляться другие силы, например, молекулярные. Если жидкость смачивает стенки сосуда, то вылить ее оттуда в невесомости - проблема. И наоборот, если не смачивает - то она в сосуде как бы «парит», едва касаясь стенок, и при первой возможности стремится покинуть место своего заточения.

Примеры можно продолжить. Но то, о чем мы с вами говорили, относится все-таки к простым физическим явлениям. Их протекание в непривычных для нас условиях невесомости в какой-то мере логически предсказуемо. Другие же, более сложные процессы, например, рост кристаллов в невесомости, представить умозрительно в подробностях гораздо труднее. Здесь необходимы прямые эксперименты и накопление знаний.

На Земле невесомость можно создать лишь кратковременно. Многие из вас на мгновение испытывали ее: на автомобиле, когда дорога вдруг резко идет под уклон; на самолете, когда он попадает в «воздушную яму»... Космонавты в период тренировок обязательно летают на самолетах-лабораториях, где их приучают к невесомости в течение нескольких десятков секунд, пока самолет совершает специальный маневр - «горку», т. е. летит по баллистической кривой (близкой к параболе). В ходе этих полетов проводились и кратковременные технологические эксперименты. Они носили либо качественный, либо демонстрационный характер.

По-настоящему же исследовать процессы в невесомости можно только в космосе, на ракетах-зондах, спутниках, орбитальных станциях.

НУЖНА ЛИ КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ?

Возникает естественный вопрос, для чего нужны технологические исследования в космосе? Для того, чтобы удовлетворить любопытство ученых. Но ведь провести эксперимент в космосе стоит очень дорого. Оправданы ли такие траты? Ответ однозначен - оправданы. Космоc (и только космос!) предоставляет нам уникальные физические условия, недостижимые на Земле. В этих условиях открывается возможность производить новые, еще невиданные по своим свойствам материалы, либо такие, производство которых на Земле чрезвычайно сложно и дорого. Конечно, речь идет не о тоннах и может быть даже не сотнях килограммов производимых материалов. По крайней мере в ближайшие десятилетия это вряд ли реально. Космическая техника еще не достигла такого уровня. Разговор может идти пока лишь об изготовлении уникальных образцов материалов, появление которых даст новый импульс развитию науки и техники, будет стимулировать технический прогресс. В этом случае будет оправдана высокая себестоимость такого материала.

Уже сейчас в условиях земной технологии некоторые «рекордные» образцы материалов, например, кристаллы полупроводников оцениваются по нескольку миллионов долларов за килограмм. За такую цену вполне реально окупить затраты, связанные с запуском космического объекта, его эксплуатацией в космосе и возвращением готовой продукции на Землю. Следовательно, можно реализовать рентабельное космическое производство. Но, безусловно, решение этой задачи - дело будущего. Пока для этого не созрели условия. Во-первых, требуется более высокий уровень развития ракетно-космической техники. Необходимо создать специализированные длительно летающие космические платформы, относительно дешевые и энергетически хорошо оснащенные. На них будут работать небольшие автоматические технологические комплексы для получения тех или иных материалов. Необходимо наладить регулярный грузопоток: туда - исходного сырья, обратно - готовой продукции. Во-вторых, необходимы знания, какие материалы целесообразно производить в космосе, по какой технологии? Для этого нужно выполнить предварительно обширный комплекс научно-исследовательских теоретических и экспериментальных работ.

НАЧАЛО СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОРБИТЕ

В 70-х годах такие работы были начаты в стране и за рубежом. В числе первых экспериментов были те, что выполнялись еще во время совместного космического полета «Союз» - «Аполлон» и продолжены на орбитальных станциях «Салют-4», «Салют-6» и «Салют-7». Эти эксперименты носили поисковый характер. Опробывались различные технологические процессы, эксперименты проводились с самыми различными материалами: сплавами металлов, композиционными материалами, полупроводниками, стеклами.

Но вот в апреле 1985 г. в Советском Союзе был запущен спутник «Космос-1645». После завершения 13-суточного полета спускаемый аппарат спутника доставил на Землю технологические установки и образцы материалов, полученные в космосе. Начиная с этого момента такие запуски стали ежегодными. С 1988 г. спутник получил название «Фотон». В апреле 1990 г. из космоса после 16-суточного полета вернулся очередной спутник «Фотон-6». На его борту, также как и на борту предыдущего «Фотона-5», в космос наряду с советской аппаратурой летала и аппаратура, созданная специалистами Франции. Расходы, и немалые, связанные с обеспечением запуска этой аппаратуры, оплачивались Французским национальным центром космических исследований (КНЕС).

Во-первых, выращивание высококачественных кристаллов полупроводников. Они требуются бурно развивающейся микроэлектронике, необходимы для создания уникальных лазеров, тепловизоров, чувствительных датчиков ядерных излучений и уникальных приборов для физических исследований. Как показали первые эксперименты, в невесомости полупроводниковые кристаллы выращиваются из расплава в более благоприятных условиях, чем на Земле. В расплаве отсутствует обязательная на Земле тепловая конвекция, из-за чего в растущем кристалле нет связанных с ней дефектов. Отсюда и иной характер взаимодействия растущего кристалла со стенкой тигля (осуществим свободный бестигельный рост кристалла).

Во-вторых, в космосе перспективна варка стекол. Современные технические стекла представляют собой многокомпонентные смеси. Отдельные компоненты существенно отличаются по удельной плотности. На Земле в расплаве эти компоненты стремятся расслоиться: более плотные опускаются ко дну тигля, менее плотные поднимаются наверх, приходится постоянно перемешивать расплав. Когда же стекломасса застывает, перемешивание невозможно, и в стекле образуются локальные сгустки более плотных компонентов (свили). Такое стекло уже дефектно. В невесомости нет расслоения компонентов расплава по удельной плотности.

В самостоятельное направление в последние годы выделилась космическая биотехнология (Земля и Вселенная, 1989, № 4). Первоначально основные работы здесь были сосредоточены на получении особочистых биопрепаратов. Один из методов очистки биопрепаратов - электрофорез. Но пока на первый план вышла идея использовать космос для выращивания совершенных кристаллов белковых веществ. Такие кристаллы остро необходимы для углубленного исследования белков методом рентгено-структурного анализа. На Земле кристаллы белков растут некачественными. Только космос здесь может решить проблему. Первые эксперименты это подтвердили. Недаром по коммерческим контрактам зарубежными специалистами на советских космических станциях выращивались кристаллы белков. Для их роста требуется довольно продолжительное время (не менее двух недель), а за рубежом пока нет для этого подходящих космических объектов.

Развитие космической технологии потребовало создание специальной бортовой технологической аппаратуры. Это разнообразные электропечи, кристаллизаторы, установки для электрофореза. Во всех таких сложных технических устройствах, в которых реализуются, например, процессы плавки и кристаллизации полупроводниковых материалов, аппаратура должна быть максимально легкой, компактной, надежной, безопасной, малоэнергоемкой, прочной. Нередко требования противоречат друг другу. Например, безопасность и высокая надежность требуют, как правило, увеличения массы, габаритов (за счет резервирования, увеличения запаса прочности и т. д.), а это, в свою очередь, приводит к увеличению энергопотребления.

ЧТО УЖЕ СДЕЛАНО?

На борту всех уже запущенных спутников «Фотон» размещалась установка «Зона-1» (последующая ее модификация - «Зона-4») - электропечь для выращивания полупроводниковых кристаллов методом зонной плавки. В исходном образце материала диаметром 10-20 мм проплавляется узкая (около 20 мм) зона, которая при медленном перемешивании образца относительно нагревателя также постепенно перемещается от одного конца образца к другому. Происходит процесс очистки и роста кристалла. При этом в невесомости зона расплава может удерживаться силами поверхностного натяжения и не проливаться, даже если образец не касается стенок тигля. Преимущество такой бестигельной зонной плавки состоит в том, что растущий кристалл не загрязняется примесями из стенок тигля и растет свободно без механического воздействия со стороны тигля.

Напомню, что в земных условиях бестигельная зонная плавка ряда полупроводниковых материалов (например, германия) неосуществима. На установке впервые в космических условиях в автоматическом режиме были получены методом бестигельной зонной плавки монокристаллы германия (чистого и легированного) и антимонида галлия - типичные представители наиболее интересных классов полупроводников.

Установка «Сплав-2» также автоматическая электропечь, созданная для спутника «Фотон», но реализующая методы кристаллизации из газовой фазы и объемного затвердевания. В «Сплаве-2» имеется магазин с двенадцатью металлическими капсулами, которые поочередно загружаются в печь. На конце каждой капсулы есть кодоноситель, содержащий зашифрованную программу эксперимента. Перед загрузкой в печь эта информация считается электронным устройством и передается в память управления. В установке «Сплав-2» проводились эксперименты с полупроводниками и стеклами. Особенно удачными были эксперименты по получению стекол с переменным показателем преломления.

Биотехнологические эксперименты на спутнике «Фотон» выполнялись в установке «Каштан», в которой производится разделение и очистка биологических веществ методами электрофореза в свободной среде жидкости, а также выращиваются кристаллы белков.

Основной узел установки - термостат, поддерживающий температуру +4 °С (наиболее благоприятную для биопрепаратов).

В зависимости от использования установки в термостате размещается электро-форетическая колонка, либо биокристаллизатор.

Качественные кристаллы белков необходимы современной биологии и медицине, но в земных условиях рост кристаллов из растворов белков в большинстве случаев крайне затруднен.

МОДУЛЬ «КРИСТАЛЛ»

Особое место эксперименты в космической технологии занимают в программе работ экипажей советской долговременной орбитальной станции «Мир». Пристыкованный к станции 10 июня 1990 г. модуль «Кристалл» (Земля и Вселенная, 1990, № 4, с. 52.), оснащенный целым рядом бортовых технологических установок, стал настоящей производственной лабораторией в космосе для проведения разнообразных экспериментов и получения материалов методами космической технологии. Среди технологических установок модуля «Кристалл» - две печи «Зона-2» и «Зона-3» более совершенные установки по сравнению с аналогичными на спутниках «Фотон». Они открывают новые возможности для проведения систематических исследований и экспериментов в интересах народного хозяйства страны.

© И.Ж.Безбах, В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского , г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2004 г.

Одним из важных направлений как земной, так и космической биотехнологии является получение кристаллов биомакромолекул с целью определения их пространственной структуры кристаллографическими методами и дальнейшего использования полученной информации в биологических, медицинских и промышленных целях.

За последние несколько десятков лет были получены результаты по сотням макромолекул и тысячам их кристаллов, были значительно усовершенствованы методики кристаллизации, наука о выращивании кристаллов биоматериалов из эмпирической становится все более точной. Однако до сих пор стабильное получение биокристаллов пригодного для исследований размера и однородности является проблемным местом во всем этом процессе. К настоящему времени около 35% кристаллов белков, серийно выращенных в космических условиях, оказались более высокого структурного качества, чем полученные в аналогичных условиях на Земле. В невесомости удалось получить биокристаллы, превосходящие по объему и разрешению любые из их земных аналогов. Однако же остальные 65% кристаллов вопреки прогнозам оказались худшего качества, чем их земные аналоги.

В этой связи важно определить, какие факторы являются определяющими с точки зрения качества получаемых биокристаллов. Из-за слабых сил связи между молекулами в биокристаллах влияние как внешних условий, так и внутренних причин на процесс кристаллизации может быть определяющим. Обычно считается, что необходим переход к чисто диффузионным условиям. В полной мере это достижимо при проведении экспериментов в условиях невесомости.

Основным негативным моментом, влияющим на процесс кристаллизации биоматериалов на Земле, является следующее: в земных условиях, помимо диффузионного массопереноса, типичным является возникновение конвективных течений в растворе, что, при большой их величине, может крайне негативно влиять на процессы роста и качество получаемых кристаллов. Также может наблюдаться осаждение кристаллов, нарушающее симметричность подвода к ним растворенного биоматериала и влияющее на их форму. При этом попытки различными способами осуществить кристаллизацию биоматериала за счет исключительно диффузионного механизма приводит к значительному увеличению требуемого для проведения эксперимента времени и снижению устойчивости условий эксперимента.

В космических же условиях эти недостатки устранимы. Однако свое влияние обычно начинают оказывать вибрационные воздействия, особенно значительные на борту Международной космической станции. При этом важным являются способы их влияния и механизмы их компенсации.

Дальнейшее изучение процесса кристаллизации биоматериалов с целью лучшего его понимания, совершенствование методик кристаллизации и аппаратуры, снижение влияния внешних условий на процесс и т. д. даст возможность проведения космических экспериментов с получением совершенных биокристаллов.

© В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского , г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2008 г.

Анализ результатов экспериментов по выращиванию монокристаллов полупроводников в реальных условиях микрогравитации на борту космических аппаратов показывает, что по совокупности свойств полученные в космических экспериментах кристаллы были не лучше полученных в земных условиях. Они имели, как правило, или значительную микронеоднородность (полосы роста), или макронеоднородность распределения легирующей примеси по диаметру и длине слитков, происхождение которых может быть связано только изменением характера и возрастанием интенсивности конвекции в расплаве. Поэтому, для достижения высокой однородности свойств выращиваемых кристаллов необходимо в расплаве обеспечить условия диффузионного тепломассопереноса.

Эти условия и ожидаемые предельные параметры кристаллов могут быть получены:

– при отсутствии термогравитационной конвекции,

– при исключении свободной поверхности расплава,

– при минимизации внешних квазистатических воздействий на расплав, вызывающих в условиях микрогравитации из-за возрастающей гравитационной чувствительности расплавов вынужденные конвективные течения в них и, соответственно, неоднородность состава и свойств выращиваемых кристаллов.

Только в условиях диффузионного тепломассопереноса свободный рост кристаллов будет происходить в стабильных температурных условиях путем самоорганизации атомов и будут обеспечиваться однородность состава и свойств на этом уровне. В этих условиях можно получить эталонные образцы или отдельные рабочие образцы, на которых будут не только определены параметры кристаллов, но на них могут быть изготовлены образцы оптоэлектронных приборов с предельно достижимыми параметрами. Однако в настоящее время эти условия трудно реализуемы.

Поэтому основная задача космических технологий заключается не в организации серийного производства в космосе кристаллов из расплава, а в использовании новых знаний о процессах кристаллизации, получаемых в космосе, в земных технологиях с максимальным приближением к условиям, обеспечивающим минимизацию конвективных процессов.

Для современных приборных технологий требуются высокооднородные легированные кристаллы диаметром несколько сотен миллиметров. При этом для их выращивания необходимы многотонные установки, которые нереально и нет необходимости располагать в космосе, тем более, когда им есть альтернатива на Земле за счет минимизации конвективных процессов в расплавах. Как следует из анализа экспериментальных и теоретических исследований процессов тепломассопереноса в расплавах полупроводников, это проблема чисто техническая: прежде всего это минимизация радиального градиента температуры, точность ориентации направления кристаллизации и отсутствие свободной поверхности расплава.