Космическая технология
К числу основных процессов космической технологии относятся: космическое материаловедение, космические исследования, ремонтно-восстановительные работы в космосе. В настоящее время оборудование для проведения в космических условиях плавки материалов, электрофореза, кристаллизации, а также исследований чисто научного характера по существу представляет собой лабораторное оборудование и является, как правило, аналогом уже существующих наземных установок.
По мере развития космической технологии будет совершенствоваться существующее оборудование и создаваться совершенно новое, например, для получения материалов в промышленных масштабах. Полезное использование вакуума в процессах космической технологии заключается в откачке камеры, расположенной на борту космического аппарата . Присоединяя непосредственно к камере автономные высоко- и сверхвысоковакуумные насосы, рабочее давление даже при таких сложных процессах, как плавка металлов, можно поддерживать на уровне от 1-10-4 до 5-10-4 Па для проведения экспериментов при давлении около 10-12 Па необходимо устройство теневой защиты. Это устройство представляет собой полусферическую оболочку, ориентированную таким образом, чтобы открытая часть полусферы располагалась сзади по направлению вектора скорости космического аппарата и, следовательно, внутренняя часть полусферы экранировалась бы от набегающего газового потока. Устройство должно располагаться на телескопической штанге, выдвигающейся из орбитального космического аппарата на расстояние до 100 м, либо на свободно летящих в космосе непилотируемых технологических космических аппаратах. Полусферическая форма защиты в связи с наиболее благоприятным соотношением её площади и объема способствует получению экстремально высокого вакуума.
Космические условия, характеризующиеся наличием микрогравитации, высокого вакуума, обилием энергии (1,4 кВт/м2 ), используются главным образом для изготовления материалов в космосе. При изготовлении материалов отсутствуют тепловая конвекция, выпадение осадка, гидростатическое давление, не требуется применение тигля для плавки материала, можно использовать неограниченный вакуум. Так, отсутствие конвекции способствует улучшению характеристик сепарации при электрофорезной кристаллизации и росту кристаллов при наличии дисперсии в производстве медикаментов, аморфных солнечных элементов; бесконтактная плавка без тигля обеспечивает получение высокочистого оптического стекла, шарикоподшипников.
Основные направления развития космического производства материалов:
1). Получение полупроводниковых материалов для электроники. В космических условиях обеспечивается возможность получения и изготовления сверхчистых материалов в печах многоцелевого назначения методами химического осаждения из паровой фазы и молекулярно-лучевой эпитаксии. Например, сплав палладия с кремнием используется в качестве узлов электронных блоков .
2). Биотехнология и медико-биологические препараты. В этом направлении созданы установки для выращивания белковых кристаллов. Это связано с тем, что для искусственного синтеза на Земле некоторых лекарственных препаратов, например, гормонов и ферментов, необходимо провести исследования их структуры. Однако на Земле из-за влияния силы тяжести не всегда можно вырастить кристалл белка, размер которого был бы достаточен для проведения рентгеноструктурного анализа . Под действием силы тяжести кристалл белка либо деформируется, либо в нем возникают нарушения структуры.
Перспективным направлением космического производства является электрофорез, обеспечивающий разделение биологической смеси субклеточных частиц белков различного вида, нуклеиновых кислот для диагностики определенных форм раковых заболеваний, исследования генетической изменчивости, получение биологически активных лекарственных веществ, получение компонентов крови для изучения и прочее [5, 6].
Установка для космического электрофореза не требует больших затрат энергии. Она должна быть снабжена холодильной камерой для хранения исходного материала, до разделения и полученного после разделения. Энергоснабжение должно обеспечиваться специальной установкой с точной регулировкой напряжения и силы тока.
Методы электрофореза и конструкции установки могут быть разными, но во всех случаях должны быть предусмотрены система подачи раствора и биоматериала в рабочую часть, выделение и хранение получаемых веществ, термостатирование, отвод выделяющихся газов и возможность автоматического или полуавтоматического управления процессом.
Наряду с электрофоретическим разделением препаратов из смеси, перспективным является создание установок для выращивания протеинов непосредственно на борту. Важным достижением явилось получение антивирусной вакцины гемоглютинина, очищенного до уровня в несколько десятков раз лучше, чем вакцина, очищенная на Земле. Космическому производству должен предшествовать синтез заготовки из исходных материалов на Земле. Это может быть исходное соединение или смесь компонентов в необходимой пропорции.
3). Получение оптических материалов. Особое значение в настоящее время имеет создание стекол для быстропрогрессирующих систем связи с использованием волоконной оптики, твердотельных лазеров, интегральной оптики для ЭВМ. Использование космической технологии способствует улучшению качества стекол. Подавление тепловой конвекции в определенной степени снижает вероятность спонтанного образования зародышей кристаллизации.
4). Космическая металлургия, получение сплавов металлов со специальными свойствами. В космических условиях обеспечивается возможность изготовления твердых эвтектик с пластинчатой или волокнистой структурами методом направленной кристаллизации для оптики, приборостроения и других областей промышленности. Процесс кристаллизации осуществляется выплавкой материала в печах многоцелевого назначения посредством электронно-лучевого или индукционного нагрева . Так, были получены твердые эвтектики NaCl-NaF с непрерывными волокнами NaF , равномерно и направленно расположенными в свободной от дефектов матрице. Такие эвтектики с довольно высоким коэффициентом пропускания в широкой области спектра могут использоваться в устройствах для передачи изображения. Ряд высокотемпературных эвтектик применяется в авиационных двигателях. Ферромагнитные высококоэрцитивные сплавы с эвтектической структурой, полученные на космическом аппарате, обладают более высокой коэрцитивной силой по сравнению с земными образцами. Так, ферромагнитный сплав Mn-Bi имеет коэрцитивную силу примерно на 60% выше, чем выплавленный в наземных условиях.
5). Электронно-лучевая сварка в космосе. Электроннолучевая сварка нержавеющей стали, титановых и алюминиевых сплавов является одним из наиболее перспективных процессов в космической технологии. С этой целью создано различное оборудование. Так, в СССР была разработана сварочная установка Вулкан, на которой обеспечивалась качественная сварка стыковых и замковых соединений с отбортовкой кромок и без нее.
6). Оборудование для научных исследований. Использование космического вакуума в разнообразных экспериментах на борту космического аппарата представляет большой научный и практический интерес для исследования физических свойств поверхности твердого тела, изучения химического состава поверхностей с помощью Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и пр. С этой целью создано различное экспериментальное оборудование. Так, в условиях полета космического аппарата Скайлэб-IV с помощью специальной установки были созданы и изучены плавающие зоны для очистки и выращивания монокристаллов химически активных веществ, таких как вольфрам и кремний. Позднее с помощью плавающих зон были выращены монокристаллы тугоплавких окислов.