Космическая сталь. Реферат на тему: "Роль химии в освоении космоса"

Удивительными и, действительно, необычными технологиями пополнился арсенал человеческих возможностей. Когда-то первые приборы, которые работали от электричества:

• делали нашу жизнь комфортной, упрощая работу множеством автоматических приборов,
• обладали лишь базовым набором функциональных возможностей, но казались необычайно сложными изобретениями,
• стали инновациями своего времени, позволив человеку стремиться к новым изобретениям.

После покорения бескрайнего космоса, развитие технологий вышло на совершенно новый уровень. Инвестиции позволили построить первые станции, специализирующиеся на выработке металлов, прямо на поверхности астероидов.

Станции превратились в небольшие, так называемые, заводы полностью автоматизированные. Они не перерабатывали полученные компоненты на ходу, зато сортировали материалы, по мере их ценности, пригодности для дальнейшего использования. Такое решение было вполне разумным, ведь переработку могли обеспечить и более простые технологии, широко распространенные на планете.

Робототехника должна была развиваться быстрее, чтобы успеть за другими космическими изобретениями. Здесь помогли идеи, построенные на уже существующих современных гаджетах. Поэтому роботы отличались плавностью движений, полностью контролируемым интерфейсом и множеством других преимуществ.

Доставка ресурсов на нашу планету так же упростилась. Подтверждением чему выступают последние экспедиции. Результатом стали полученные металлы. Они достались учёным цельными, практически не повреждёнными, даже при добычи образцы большинства, важных для развития металлургии в целом, металлов.

Астероиды - источник для добычи металлов!

Учёные всерьёз задумались о том, чтобы наладить добычу полезных ископаемых. Это удобнее всего сделать ближе к источнику, то есть прямо на поверхности астероидов.

Освоение астероидов, с последующими возможностями для организации эффективной работы по их выработке - главная задача современного производства. Подобные проекты обеспечат получение ресурсов различного спектра и назначения. Существует специальное название - промышленное освоение, характеризующее сам процесс получения пользы от изучения ещё неизведанных объектов, находящихся в космосе.

Не только астероиды пригодны для выполнения всех необходимых работ по добыче металлов и других подобных им веществ. В относительной близости к Земле находятся, буквально, миллионы космических объектов. А, если учесть большие по протяжённости пояса астероидов, запаса веществ на нашей планете хватит на несколько сотен лет. Некоторые космические тела так же пригодны для проведения добычи металлов, без нанесения вреда самим источникам полезных минералов и веществ.

Такие дорогостоящие металлы, как титан и никель, образуются естественным путём на благоприятных для этого участках земной поверхности. Космос не стал исключением, подарив учёным новые возможности для работы.

Зачастую, среди разнообразия материалов, которые можно найти в породах астероидов, встречается и железо. С одной стороны, его в достаточно большом количестве можно найти на нашей планете.

Но любые разновидности полезных ископаемых, даже самые распространенные на Земле, представляют собой основу для развития промышленностей на уровне государственного устройства. Но такие источники не вечны, поэтому уже сейчас следует задуматься о нахождении новых и альтернативных возможностей для добычи ресурсов. В этом плане космос безграничен:

• для исследователей, проводящих пробы пород, с целью обнаружения богатых металлами мест.
• в плане освоения неизученных ранее свойств элементов,
• как вспомогательный элемент для производства.

Некоторые учёные даже сделали предположение о пользе изучения астероидов с точки зрения их состава. Утверждают, что астероиды содержат в себе все необходимые элементы, которые могут поспособствовать даже получению воды и кислорода.

Так же, смеси веществ, присутствующие в составе породы астероида, насыщены компонентами, из которых можно добыть даже водород. А это уже серьёзное подспорье, ведь этот компонент является основным "ингредиентом" ракетного топлива.

Но данная индустрия всё ещё является молодой, до конца неизученной отраслью. Налаживание производства подобного уровня, нуждается:

• в дополнительных инвестициях,
• грамотных вложениях денежных средств, непосредственно в производство новых технологий,
• привлечении помощи других отраслей, специализирующихся на дальнейшей переработке металлов.

Грамотно построенная работа, которая будет налажена на всех последующих уровнях производства, сократит дополнительные расходы, например, на топливо для ракет, или зарядку роботов, увеличив тем самым общий доход.

Астероиды - кладезь редких металлов!

Ценовая политика таких проектов приобретает просто нереальный размах. Один астероид, даже сравнительно небольшой по своим размерам, - просто находка для современных технологов и учённых. Роботы могут, в некоторых случаях даже определить, какой слой породы отделяет их от желаемой находки.

Суммы, и в приблизительных подсчётах исчисляются в триллионах. Поэтому все затраты, безусловно, себя оправдают, причём в несколько раз. Прибыль, полученная от произведённых работ по добыче металлов, уходит на их дальнейшую обработку.

Большинство элементов, представлены в чистом виде. Но для некоторых понадобится участие вспомогательных растворов и смесей, преобразующих веществ к нужному состоянию. Трудно поверить, но такой драгоценный металл, как золото, присутствует в достаточном для добычи количестве.

Не знают, что большая часть золота, присутствующая в верхних слоях Земли, является своеобразными следами, когда-то упавших астероидов. Со временем планета и климатические условия на них менялась, преобразовывалась почва, а остатки астероидов смогли сохранить ценные, заключённые в них металлы.

Астероидные дожди поспособствовали тому, что тяжёлые вещества, в том числе металлы, подчинились силе гравитации, опустившись ближе к ядру планеты. Их выработка стала затруднительной. И вместо этого, учёные предположили, что целесообразнее всего вкладывать деньги в работу с астероидами, подобно тому, как ведётся добыча на Земле.

Будущее технологий за космосом!

Эволюция привела человека к пику своего развития, подарив ему множество различных изобретений. Но, тема космоса всё ещё остаётся не до конца раскрытой. Представьте себе, сколько потребуется вложить денежных средств, чтобы наладить работу по добыче на поверхности самого астероида.

Ещё одним фактором, из-за которого этот проект долго оставался в теории, стала проблема, возникающая с доставкой груза с металлами обратно на Землю. Подобная процедура могла занимать столько времени, что даже сама выработка стала бы не актуальной и очень дорогой. Но учёные нашли выход и из подобной ситуации. Были собраны специализированные роботы. При помощи механических действий человека, непосредственно подключённое к системе рота, он может направлять его движения, не испортив ценных образцов уже добытых материалов.

У робота в строении предусмотрен отсек, куда и помещаются собранные образцы. Далее они отправятся на Землю, где учёные проведут ряд тестирований, доказывающих ценность данного астероида на предмет содержания в нём полезных веществ.

Такая предварительная проверка необходима ещё и для большей уверенности в том, что работы по выработке металлов действительно нужны. Ведь в подобных отраслях всегда замешено колоссальное количество денежных средств.

Технологии будущего из прошлого!

Даже далёкий от науки человек понимает - ресурсы нашей планеты не бесконечны. А искать на Земле альтернативу существующим полезным веществам, а так же ископаемым, просто негде.

Современный мир, именно поэтому развивается стихийно, и вместе с тем сохраняет спокойный и размеренный темп человеческой жизни. Каждый эксперимент - отражение сущности учёного, его гениальных трудов, первых удачных экспериментов.

Но вспомним, как начиналась космическая лихорадка. Генератором идей стало произведение одного, очень известного в своё время фантаста. Тогда это казалось простой выдумкой, - сейчас стало вполне обыденной реальностью, привлекающей пристальное внимание учёных, стремящихся довести свои теоретические идеи до практического применения, приносящего пользу человечеству.

Технологии являются дорогостоящими, не просто найти достойных инвесторов, готовых рискнуть многим, ради положительного результата. Но проекты будущего необходимо развивать и внедрять в производство уже сейчас.

Чтобы не говорили учёные, но время полноценной добычи редких, дорогостоящих металлов прямо из космических просторов уже пришло.

Инновации требуют:

• проверки временем,
• грамотной организации производства,
• изучения возможностей смежных отраслей, которые могут взаимовыгодно сотрудничать между собой.

Без вложений не будет отдачи, даже на минимальном уровне следует организация самого процесса работы и только потом - полученный результат, на который вы надеялись.

Как появились астероиды?

Если учёные смогут определить благоприятные условия, при которых образуются астероиды, то такие полезные источники можно будет создавать искусственным путём с помощью лабораторий, или, непосредственно в просторах космоса. Известно, что астероиды - это первоначальный материал, оставшийся после того, как наша Солнечная система была образована. Они распространены повсюду. Некоторые астероиды пролетают на очень близком расстоянии к Солнцу, другие курсируют по одним орбитам, образуя целые пояса астероидов. Между Юпитером, и расположенным в относительной близости к нему Марсом, присутствует наибольшее скопление астероидов.

Они представляют собой очень большую в плане ресурсов, ценность. Изучение астероидов с различной точки зрения, позволит проанализировать их структуру, поспособствует:

• созданию базы для дальнейшего изучения космоса,
• привлечению новых инвестиций в данную отрасль,
• разработку специализированного оборудования, которое смогло бы работать в самых различных условиях.

Заниматься добычей металлов на астероидах значительно проще, ведь они распределены по всей поверхности космического объекта. Концентрация даже самых драгоценных и дорогих металлов равна той, которая представлена на Земле только в богатых месторождениях. Интерес к подобным видам работ, из-за их востребованности, возрастает с каждым днём.

Космонавты смогли сделать невозможный технологический прорыв в области технологических возможностей. Первые, взятые на поверхности астероидов образцы:

• дали учёным общее представление о структуре астероидов,
• помогли сделать их выработку более быстрой,
• определили новые источники для получения металлов.

В ближайшем будущем технологии подобного уровня займут основное место среди производства. Если представить, даже чисто теоретически, что запасы астероидов безграничны, - то они могут поддерживать экономику целой планеты, позволяя ей развиваться в несколько раз быстрее.

Казалось бы, к чему ещё стремиться, когда человек покорил космические просторы? Но на практике, ещё далеко не все полезные свойства астероидов и других объектов, присутствующих в космосе, изучены полностью. То есть, можно будет наладить безотходное производство. Каждый элемент данной цепочки - не существует без влияния на него предыдущего. Особенно такой подход актуален, когда мы имеем дело с металлами. Их структура достаточно прочная, но если не придерживаться правильных условий для их добычи и эксплуатации, - ценный природный ресурс может испортиться.

Металлы из космоса - обыденная реальность нашего времени. Планируются новые проекты, основой которых станет получение воды и кислорода - жизненно необходимых нам компонентов.

Мечты о колонизации космоса и добыче там природных ресурсов появились давно, но именно сегодня они становятся реальностью. В начале года компании и Deep Space Industries заявили о намерениях начать промышленное освоение космоса. Т&P разбираются, какие полезные ископаемые они собираются добывать, насколько эти проекты осуществимы и сможет ли космос стать новой Аляской для золотоискателей XXI века.

Если о промышленном освоении планет пока только мечтают, то с астероидами дела обстоят куда более оптимистично. В первую очередь речь идет только о самых ближайших к Земле объектах, да и то тех чья скорость не превышает порога первой космической . Что касается самих астероидов, то наиболее перспективными для добычи считаются, так называемые, астероиды M-класса, большая часть из которых почти целиком состоит из никеля и железа, а также астероиды S-класса, имеющие в своей породе силикаты железа и магния. Также исследователи предполагают, что на этих астероидах могут быть обнаружены залежи золота и металлов платиновой группы, последние же ввиду своей редкости на Земле представляет особый интерес. Для того чтобы представлять о каких цифрах идет речь: астероид средних размеров (диаметром порядка 1,5 километров) содержит металлов на 20 триллионов долларов.

Наконец, еще одна важнейшая цель космических золотоискателей - астероиды С-класса (примерно 75 процентов от всех астероидов Солнечной системы), на которых планируется добывать воду. По подсчетам, даже самые маленькие астероиды этой группы, диаметром в 7 метров, могут содержать в себе до 100 тонн воды. Недооценивать воду нельзя, не стоит забывать, что из нее можно получить водород, который затем использовать в качестве топлива. К тому же добыча воды непосредственно на астероидах позволит сэкономить деньги на ее доставку с Земли.

Что добывать в космосе

Платина - лакомый кусок для всех инвесторов. Именно за счет платины энтузиасты космической добычи ресурсов смогут окупить свои затраты.

От запасов воды будет зависеть работа всей добывающей станции. К тому же «водных» астероидов вблизи Земли больше всего: порядка 75 процентов.

Железо - важнейший металл современной промышленности, поэтому вполне очевидно, что на нем в первую очередь будет сконцентрированы усилия добытчиков.

Как добывать

Добывать на астероиде, после чего доставлять на Землю для переработки.

Фабрика по добыче полезных ископаемых строится непосредственно на поверхности астероида. Для этого необходимо разработать технологию удерживающую оборудование на поверхности астероида, так как из-за небольшой силы тяжести даже слабое физическое воздействие может легко оторвать конструкцию и унести ее в космос. Другая проблема этого способа - доставка сырья для последующей обработки, которая может обойтись очень дорого.

Система самовоспроизводящихся машин. Чтобы обеспечить работу производства без участия человека, предлагается вариант создания системы самовоспроизводящихся машин, каждая из которых за определенный срок собирает свою точную копию. В 80-е годы такой проект даже разрабатывался НАСА, правде речь тогда шла о поверхности Луны. Если за месяц такая машина будет способна собирать аналогичную себе, меньше чем через года таких машин будет больше тысячи, а через три более миллиарда. В качестве источника питания машин предлагается использовать энергию солнечных батарей.

Добывать и перерабатывать прямо на астероиде. Строить станции, обрабатывающие сырье на поверхности астероида. Достоинство этого способа в том, что он позволит значительно сэкономить средства на доставку ископаемых к месту добычи. Минусы - дополнительное оборудования, и соответственно, более высокая степень автоматизации.

Переместить астероид к Земле для последующей добычи. Притянуть астероид к Земле можно с помощью космического буксира, по принципу действия аналогичного тем, что доставляют сейчас спутники на орбиту Земли. Второй вариант - создание гравитационного буксира, технологии с помощью которой планируется защищать Землю от потенциально опасных астероидов. Буксир представляет собой небольшое тело, которое подходит вплотную к астероиду (на расстояние до 50 метров) и создает гравитационное возмущение, меняющее его траекторию. Третий вариант, самый смелый и неординарный - изменение альбедо (отражающей способности) астероида. Часть астероида накрывается пленкой или покрывается краской, после чего, согласно теоретическим выкладкам, из-за неравномерного нагрева поверхности Солнцем, скорость вращения астероида должна измениться.

Кто будет добывать

За создание отвечает американский бизнесмен Питер Диамантис, создатель фонда X-Prize . Ученый коллектив возглавляют бывшие сотрудники НАСА, а финансовую поддержку проекту оказывают Ларри Пейдж и Джеймс Кэмерон. Первичная задача компании - постройка телескопа Arkyd-100 , производство которого она оплачивает сама, а все пожертвования пойдут на обслуживание телескопа и непосредственно, запуск, намеченный на 2014 год. Планы у Arkyd-100 вполне скромны - компания рассчитывает испытать телескоп, а заодно сделать качественные снимки галактик, Луны, туманностей и прочих космических красот. Но уже последующие Arkyd-200 и Arkyd-300 будут заниматься конкретным поиском астероидов и подготовке к добыче сырья.

У руля Deep Space Industries стоит Рик Тамлинсон, приложивший руку к все-тому же фонду X-Prize, бывший сотрудник НАСА Джон Мэнкинс и австралийский ученый Марк Сонтер. Уже сейчас компания располагает двумя космическими аппаратами. Первый из них, FireFly, планируется к запуску в космос в 2015 году. Аппарат весит всего 25 килограмм и будет нацелен на поиск подходящих для будущего освоения астероидов, изучение их структуры, скорости вращения и других параметров. Второй, DragonFly, должен будет доставить куски астероидов массой 25-75 килограмм на Землю. Его запуск, согласно программе, осуществится в 2016 году. Главный секретное оружие Deep Space Industries - технология MicroGravity Foundry, микрогравитационный 3D-принтер, способный создавать высокоточные детали большой плотности в условиях малой гравитации. Уже к 2023 году компания рассчитывает на активную добычу на астероидах платины, железа, воды и газов.

НАСА тоже не стоит в стороне. К сентябрю 2016 года агентство планирует запустить аппарат OSIRIS-REX , который должен начать исследование астероида Бенну. Ориентировочно к концу 2018 году аппарат достигнет цели, возьмет пробу грунта и еще через два-три года вернется на Землю. В планах исследователей - проверить догадки о происхождении Солнечной системы, проследить за отклонением траектории астероида (существует, хоть и чрезвычайно малая, вероятность, что Бенну когда-нибудь может столкнуться с Землей), и, наконец, самое интересное: изучить грунт астероида на предмет полезных ископаемых.

Для анализа грунта на OSIRIS-REX будут работать 3 спектрометра: инфракрасный, тепловой и рентгеновский. Первый будет измерять инфракрасное излучение и искать углеродосодержащие материалы, второй - измерять температуру в поисках воды и глины. Третий - улавливать источники рентгеновского излучения для обнаружения металлов: прежде всего железа, магния и кремния.

Кому принадлежат космические ресурсы

Если глобальные планы компаний станут реальностью, встает еще один насущный вопрос: как будут разделяться права на добычу полезных ископаемых в космосе? Впервые этой проблемы коснулись еще в 1967 году, когда ООН приняла закон, запрещающий добычу ресурсов в космосе, пока компания-добытчик не представит де-факто захвата территории. О правах на сами ресурсы ничего сказано не было. Немного прояснил ситуацию документ ООН 1984 года, касающийся Луны. В нем заявлено, что «Луна и ее природные ресурсы являются общим наследием человечества», а использование ее ресурсов «должно осуществляться на благо и в интересах всех стран». При этом главные космические державы, СССР и США, этот документ проигнорировали и вопрос остался открытым до сегодняшнего дня.

Для решения вопроса некоторые специалисты предлагают взять за аналог систему, применяемую сейчас в Конвенции о международном морском праве, регулирующей добычу ископаемых с морского дна. Принципы ее более чем идеалистические - согласно конвенции, ни одно государство, так же как и частное лицо не может претендовать на право присвоения территории и ее ресурсов, эти права принадлежат всему человечеству, а сами ресурсы должны использоваться только в мирных целях. Но вряд ли это остановит агрессивную экспансию частных компаний. О характере будущей индустрии лучше всего высказался глава правления Deep Space Industries Рик Тамлинсон: «Существует миф, что впереди нас не ждет ничего хорошего и нам не на что надеяться. Этот миф существует только в умах верящих в него людей. Мы же убеждены, что это только начало».

Металлургия имеет дело с получением металлов и с процессами, сообщающими металлическим сплавам необходимые свойства путем изменения их состава и структуры. К металлургии относятся процессы очистки металлов от нежелательных примесей, производство металлов и сплавов, термическая обработка металлов, литье, нанесение покрытий на поверхность изделий и т. д. Большинство этих процессов включает с себя фазовые переходы к жидкому или газообразному состояниям, для которых влияние величины массовых сил на состав и структуру конечного материала может быть значительным. Поэтому перенос металлургических процессов в космос открывает принципиальные возможности производства материалов с улучшенными характеристиками, а также материалов, которые на Земле получить нельзя.

Металлургические процессы в космических условиях могут быть использованы для решения следующих задач.

1. Приготовление сплавов, в которых нет сегрегации , обусловленной силой Архимеда (получение композиционных материалов, сплавов высокой однородности и чистоты, пенометаллов).

2. Приготовление сплавов в отсутствие конвекционных токов (бездефектные монокристаллы, улучшенные эвтектики и магнитные материалы).

3. Безгравитационное литье (приготовление пленок, проволоки, литых изделий сложной формы).

4. Бестигельная плавка металлов и сплавов (очистка металлов и сплавов, их однородное затвердевание).

5. Разработка методов получения неразъемных соединений на космических аппаратах (сварка, пайка и т. д.).

Рассмотрим коротко состояние исследований, направленных на получение в космосе материалов металлургическими методами.

Бездефектные кристаллы и сплавы. Для производства сплавов исходные компоненты могут быть приготовлены как в жидкой, так и в газообразной (паровой) фазе с последующей кристаллизацией. В невесомости из-за отсутствия разделения фаз можно задавать произвольные комбинации компонентов в любых состояниях. Можно, в частности, получить прямой переход из паровой фазы к твердому телу, минуя расплав. Материалы, полученные при испарении и конденсации, обладают более тонкой структурой, которую обычно трудно получить при процессах плавления и затвердевания (плавку в космических условиях можно рассматривать как способ очистки). При этом в расплаве возможны следующие эффекты: испарение более летучего компонента, разрушение химических соединений (окислы, нитриды и т. п.).

Важнейший процесс получения сплавов - затвердевание. Этот процесс существенно влияет на структуру металла. При затвердевании могут возникать различные дефекты в структуре металла: неоднородность сплава по химическому составу, пористость и т. д. Присутствие в расплаве перепадов температуры и концентрации может приводить к возникновению конвекции. Если расплав затвердевает в условиях колебаний температуры, то возникают локальные колебания скорости роста кристалла, что может привести к такому дефекту, как полосчатость структуры кристалла. Для преодоления этого дефекта структуры необходимы меры по уменьшению конвекции.

В космических условиях открываются возможности приготовления однородных смесей, состоящих из компонентов с разной плотностью и с различными температурами плавления. На Земле такие смеси не могут быть устойчивы из-за силы Архимеда. Особый класс сплавов такого типа - это магнитные материалы, в том числе новые сверхпроводники.

Ранее отмечалось, что одно из преимуществ метода зонной плавки в космических условиях состоит в том, что можно получать монокристаллы более крупных размеров, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести позволяет также по-новому организовать процессы направленной кристаллизации. Таким путем могут быть получены нитевидные кристаллы большой длины («усы», или «уискеры») с повышенной прочностью.

Рассмотрим эксперименты, в которых исследовались практические возможности космической металлургии. Так, в эксперименте на станции «Скайлэб» были получены сплавы из компонентов, которые плохо смешиваются в земных условиях. В трех ампулах были размещены заготовки из сплавов золото-германий, свинец-цинк-сурьма, свинец-олово-индий. В космических условиях образцы подвергались переплавке несколько часов, выдерживались при температуре выше точки плавления, а затем охлаждались. Доставленные на Землю образцы обладают уникальными свойствами: однородность материалов оказалась выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле, а сплав золота с германием оказался сверхпроводящим при температуре около 1,5 К. Аналогические смеси, полученные из расплава на Земле, этим свойством не обладают, видимо, из-за отсутствия однородности.

В рамках советско-американской программы ЭПАС был проведен такой эксперимент, целью которого было исследование возможности получать магнитные материалы с улучшенными характеристиками. Для исследований были выбраны сплавы марганец-висмут и медь- кобальт-церий. В рабочей зоне электронагревной печи поддерживалась максимальная температура 1075 °C в течение 0,75 ч, а затем в течение 10,5 ч печь остывала. Затвердевание происходило в период сна космонавтов, чтобы снизить нежелательное воздействие вибраций при их перемещениях внутри станции. Наиболее важный результат этого эксперимента состоит в том, что у образцов первого типа, затвердевших на борту космического корабля, величина коэрцитивной силы на 60 % выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле.

Композиционные материалы. Композиционными материалами, или композитами, называют искусственно созданные материалы, которые состоят из основного связующего материала и прочного армирующего наполнителя. В качестве примеров можно привести комбинацию алюминия (связующий материал) со сталью, приготовленной в виде нитей (армирующий материал). Сюда же относятся и пенометаллы, т. е. металлы, в объеме которых содержится большое количество равномерно распределенных газовых пузырьков. По сравнению с образующими их компонентами композиционные материалы обладают новыми свойствами - повышенной прочностью при меньшем удельном весе. Попытка получить в наземных условиях композиты с основой, находящейся в жидком состоянии, приводит к расслоению материала. Приготовление композитов в космических условиях может обеспечить более однородное распределение армирующего наполнителя.

На станции «Скайлэб» был также поставлен эксперимент, цель которого состояла в получении композиционных материалов, армированных «усами» из карбида кремния (удельный вес 3,1). В качестве основного (матричного) материала было выбрано серебро (удельный вес 9,4). Композиционные материалы с металлической основой, армированные «усами», представляют практический интерес ввиду их высокой прочности. Техника их получения основана на последовательных процессах перемешивания, прессовки и спекания.

При проведении космического эксперимента размеры частиц серебряного порошка составляли ~ 0,5 мм, диаметр «усов» из карбида кремния ~ 0,1 мкм и средняя длина ~ 10 мкм. В кварцевой трубке, в которой размещался образец, имелся поршень из графита и кварца с пружиной для сжатия образца после расплавления, чтобы выдавливать из расплава пустоты. Исследование доставленных из космоса композиционных материалов показало, что по сравнению с контрольными образцами они обладают значительно более однородной структурой и более высокой твердостью. В случае материалов, полученных на Земле, четко видно структурное расслоение, происходит всплывание «усов» вверх.

Эвтектики. Эвтектика - это тонкая смесь твердых веществ, кристаллизация которых происходит одновременно при температуре ниже температуры плавления любого из компонентов или любых других смесей этих компонентов. Температура, при которой происходит кристаллизация такого расплава, называется эвтектической. Сплавы этого типа часто образуются из компонентов, сильно отличающихся друг от друга (например, в состав эвтектического сплава Вуда входят висмут, свинец, олово, кадмий). Эвтектические материалы широко применяются в науке и технике: их используют для изготовления лопаток газовых турбин, в качестве сверхпроводящих и специальных оптических материалов.

Для приготовления эвтектик обычно используют метод направленного затвердевания, т. е. затвердевания в одном заданном направлении. Применение этого метода в космических условиях представляет несомненный интерес, потому что из-за отсутствия конвекции можно улучшить однородность материала, а исключая контакт расплава со стенками, можно получать свободные от окислов материалы, которые будут обладать полезными оптическими свойствами.

Разновидностью эвтектик являются двухфазные системы типа «усов». Это игольчатые монокристаллы с весьма совершенной структурой, прочность которых благодаря отсутствию посторонних включений приближается к теоретически возможной. В невесомости такие материалы можно выращивать и внедрять в жидкий металл методами композиционного литья. Еще одна разновидность эвтектик - тонкие эпитаксиальные пленки. Такие пленки находят широкое применение при изготовлении транзисторов путем нанесения материала на твердую основу - подложку из жидкой или паровой фазы. Проявление конвекции в жидкости или в газе ведет к искажению решетки эпитаксиальных пленок, к появлению в них нежелательных включений и других дефектов структуры.

В космических условиях поставлен ряд экспериментов по исследованию эвтектических сплавов. Например, в одном эксперименте на станции «Скайлэб» исследовалось влияние невесомости на структуру сплава медь- алюминий при направленном затвердевании. В доставленных из космоса образцах количество дефектов уменьшилось на 12–20 %. В другом эксперименте на станции «Скайлэб» и МА 131 при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» исследовалось получение двухфазных эвтектик галогенидов (NaCl-NaF в первом случае и NaCl-LiF - во втором). При затвердевании такой эвтектики одна из фаз (NaF или LiF) может образовать нити, внедренные в другую фазу как в матричный материал.

Подобные эвтектики могут найти применение в качестве волоконных световодов для инфракрасной области спектра. Нитеподобные эвтектики, произведенные на Земле, обладают большим количеством дефектов, возникновение которых связано с колебательными конвекционными движениями в жидкости. Структура эвтектик галогенидов, полученных в космосе, оказалась более совершенной, что привело к улучшению их технических характеристик. Так, коэффициент пропускания света для образца первого типа возрос в 40 раз, а второго типа - в 2 раза по сравнению с аналогичными образцами, выращенными на Земле.

Технология получения неразъемных соединений. Как отмечалось выше, первые в мире работы в этой области выполнены в Советском Союзе в 1969 г. на космическом корабле «Союз-6». На советской космической станции «Салют-5» космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов продолжили исследования в этом направлении, успешно осуществив опыты по пайке металлов с помощью прибора «Реакция». Прибор «Реакция» (см. рис. 6) и размещаемый в нем экзоконтейнер по конструкции не были герметичны, и поэтому для имитации условий пайки в космическом пространстве из герметизированной области между муфтой и трубкой был заблаговременно откачан воздух (см. рис. 9). Трубка и муфта были изготовлены из нержавеющей стали, а для создания между ними капиллярных зазоров на поверхности трубки сделана накатка глубиной 0,25 мм. В качестве припоя был выбран высокотемпературный марганец-никелевый припой (температура пайки 1200–1220 °C), который характеризуется высокими механическими свойствами и хорошей коррозионной стойкостью.

Наземные металлографические исследования и испытания швов (на вакуумную плотность, на механическую прочность на разрывной машине с внутренним давлением до 500 атм) показали, что полученные в космосе паяные соединения по качеству не уступают полученным в земных условиях, а по ряду показателей превосходят их. В частности, наблюдается равномерное заполнение зазоров припоем, более однородна микроструктура металла (см. рис. 10).

Результаты испытаний на борту космических аппаратов различных методов сварки и пайки подтверждают, что при выполнении на перспективных космических объектах монтажно-сборочных работ эти методы получения неразъемных соединений найдут широкое применение.

Примечания:

Сегрегацией, или ликвацией, в металлургии называется неоднородность сплава по химическому составу.

Коэрцитивной силой называют напряженность магнитного поля, необходимую для полного размагничивания ферромагнетика.

Волоконный световод - прозрачный диэлектрический стержень или нить (волокно), используемые в оптических системах для передачи света.

Каждая отрасль техники по мере своего развития предъявляет все более разнообразные и высокие требования к металлам. Но наиболее ответственные требования предъявляются к металлам для спутников и космических кораблей - в них должны сочетаться лучшие механические, химические и физические свойства.

Трудно предугадать, как поведет себя в условиях космического пространства тот или иной материал. А точное знание этого чрезвычайно важно конструкторам космических кораблей. В свете последних космических достижений СССР и США особенно актуальными становятся проблемы космического металловедения. Ученых интересует поведение металлов и сплавов в космических условиях, волнует задача обеспечения металлическими материалами космической промышленности. А ведь требования к материалам для космических и реактивных аппаратов весьма разнообразны и высоки. Кроме температурной (высокие и сверхнизкие температуры) и термоциклической стойкости, тут требуется герметическая плотность в условиях абсолютного вакуума (10-16 ат), стойкость против вибрации, больших ускорений (в десятки тысяч раз больше ускорения силы тяжести), метеоритной бомбардировки, длительного воздействия плазмы, излучения, невесомости, теплостойкости и т. д.

Советские ученые Е. А. Духовской, В. С. Онищенко, А. Н. Пономарев, А. А. Силин, В. Л. Тальрозе обнаружили явление сверхнизкого трения твердых тел.

Исследователи обнаружили, что при облучении потоком ускоренных атомов гелия поверхности полимерного тела, например полиэтилена, трущегося в вакууме вместе с металлом, наблюдается переход от обычного трения к сверхнизкому. При этом коэффициент трения составляет тысячные доли. Во время эксперимента этот эффект сохранялся в широком диапазоне скоростей и больших удельных нагрузок. Использование этого явления открывает широкие перспективы для повышения долговечности и надежности машин и приборов, работающих в вакууме, открытом космическом пространстве.

В ходе космических исследований на Луне обнаружены месторождения ценных полезных ископаемых - железа, марганца, титана и других руд. При анализе лунного грунта обнаружены новые минералы и железо, которое не поддается окислению даже в земных условиях. Для космических рейсов - строительства стартовых площадок, ракет-носителей и самих космических кораблей - понадобится много металла.

Создание на Земле таких условий, как невесомость, глубокий вакуум, высокие и низкие температуры, потоки проникающей радиации, весьма трудно и дорого. С развитием общества возникает необходимость вынести в космос, например на орбиты спутников Земли, части технических комплексов.

Летчик-космонавт СССР Виктор Горбатко рассказал корреспондентам: "Применяя термин "производство в космосе", нельзя использовать земные масштабы. Это очевидно. Объем и вес выпускаемой продукции будет ограничен. Но уникальные особенности доставленной с орбитальной станции на Землю продукции с лихвой окупят затраты".

В качестве примера В. Горбатко приводит пенистые материалы. На Земле под тяжестью расплавленного металла газ выделяется из расплава. А в космосе в условиях невесомости можно получить пенистую сталь, легкую, как дерево, и прочную, как обычная сталь. Пенистая сталь очень нужна создателям будущих космических объектов.

Эксперимент "универсальная печь", проведенный в совместном полете "Союза" и "Аполлона", позволяет в известной мере оценить практические возможности создания внеземного производства. Разрабатываются проекты собираемых в космическом пространстве орбитальных станций-заводов.

Автор многих смелых проектов и идей докт. техн. наук профессор Г. И. Покровский полагает, что вполне возможно организовать в космосе относительно недорогое "доменное хозяйство". Сырьем для производства будет служить вся солнечная система с ее бесчисленными метеорами и мелкими астероидами. Энергию для небесных агрегатов будут накапливать солнечные батареи, а безупречный космический вакуум позволит применять самую современную технологию.

Сырье - пойманный метеор - удерживается захватом. Импульсный источник света, подключенный к солнечной батарее, возбуждает квантовый генератор. Луч этого лазера испаряет вещество метеорного тела. Высокотемпературная плазма увлекается электрическим полем и концентрируется в виде струи магнитной линзой. В магнитном спектрографе плазменный поток разлагается на струи ионов различных веществ. Затем нужный металл - железо, кобальт, никель - конденсируется, образуя постепенно растущий стержень. Полученные шлаки выбрасываются для перемещения и ориентации агрегата в пространстве.

Металлические стержни шлифуются, разрезаются и выбрасываются в космос с заданной скоростью. Их назначение - служить строительным материалом при создании орбитальных станций в околоземном пространстве нашей солнечной системы. Приварку стержня к свободно парящей ферме осуществит солнечная энергия.

Конечно, сейчас можно спорить о технологических деталях будущей космической металлургии, одно бесспорно - такая металлургия может существовать.

Сегодня Всемирный день авиации и космонавтики. 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин на корабле «Восток» стал космическим первопроходцем. С 1968 года отечественный День космонавтики получил и официальное общемировое признание.

Казалось бы, какое отношение сталь имеет к этому празднику? Мы привыкли думать о ней как о металле прозаическом, приземленном, к освоению космоса прямого отношения не имеющего. Однако это заблуждение.

Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей - второй по применению металл в ракетах. Везде, где нагрузка не распределена по большой конструкции, а сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия.

Сталь жестче - конструкция из стали, размеры которой не должны «плыть» под нагрузкой, получается почти всегда компактнее и иногда даже легче алюминиевой. Сталь гораздо лучше переносит вибрацию, более терпима к нагреву, сталь дешевле, за исключением самых экзотических сортов, сталь, в конце концов, нужна для стартового сооружения, без которого ракета - ну, сами понимаете…

Но и баки ракеты могут быть стальными. Удивительно? Да. Однако первая американская межконтинентальная ракета Atlas использовала баки именно из тонкостенной нержавеющей стали. Для того чтобы стальная ракета выиграла у алюминиевой, многое пришлось радикально изменить. Толщина стенок баков у двигательного отсека достигала 1,27 миллиметра (1/20 дюйма), выше использовались более тонкие листы, и у самого верха керосинового бака толщина составляла всего 0,254 миллиметра (0,01 дюйма). А водородный разгонный блок Centaur, сделанный по такому же принципу, имеет стенку толщиной всего лишь с лезвие бритвы - 0,127 миллиметра!

Столь тонкая стенка сомнется даже под собственной тяжестью, поэтому форму она держит исключительно за счет внутреннего давления: с момента изготовления баки герметизируются, наддуваются и хранятся при повышенном внутреннем давлении.

В процессе изготовления стенки подпираются специальными держателями изнутри. Самая сложная стадия этого процесса - приварка днища к цилиндрической части. Ее обязательно нужно было выполнить за один проход, в результате ее в течение шестнадцати часов делали несколько бригад сварщиков, по две пары каждая; бригады сменяли друг друга через четыре часа. При этом одна из двух пар работала внутри бака.

Нелегкая, что и говорить, работа. Но зато на этой ракете американец Джон Гленн впервые вышел на орбиту. Да и дальше у нее была славная и долгая история, а блок Centaur летает и по сей день. У «Фау-2», между прочим, корпус тоже был стальным - от стали полностью отказались только на ракете Р-5, там стальной корпус оказался ненужным благодаря отделяющейся головной части.

Подробнее о «космических» металлах читайте в журнале «Популярная механика»