МКС: снежинки в невесомости
AstroNews.ru - 21 Апреля 2013 18:56:55
У многих существующих веществ легко обнаруживается разница между твердым и жидким состоянием. Процесс перехода из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. На протяжении процесса двигавшие ранее хаотично частицы выстраиваются в строгий порядок. Довольно наглядно можно наблюдать процесс кристаллизации в снежинках: структура многих их них подчиняется строгим правилам и приблизительно симметрична. Как это происходит: полностью до сих пор не известно. Такое привычное для нашей полосы явление, как снег объяснено все еще не до конца. Для заполнения пробелов необходимы дальнейшие исследования.
В земных условиях на формирование снежинки влияет множество факторов: температура, скорость и направление ветра, атмосферное давление, влажность, гравитация и другие. Для упрощения исследований часть из них необходимо исключить. В лабораторных условиях можно подчинить себе температуру и прочие "погодные" характеристики, однако для исключения гравитации придется проводить эксперимент на орбите. Именно эта цель была поставлена перед астронавтами Международной Космической Станции.
Снежинки слишком хрупкие и неустойчивые к внешним изменениям, поэтому вместо снежинок в экспериментах использовались различные металлические сплавы. Несмотря на кажущуюся большую разницу между водой и металлом, все эти вещества относятся к так называемым дендритам и процессы, формирующие кристаллы при переходе в твердое состояние, очень похожи. Прочность, выносливость и другие характеристики любого материала безусловно зависят от его внутренней структуры, поэтому понимание процесса формирования этой структуры позволит значительно улучшить характеристики этих материалов, без которых сегодняшняя жизнь попросту невозможна.
<"http://www.astronews.ru/foto/b/450.jpg" align="left">
Для проведения эксперимента на МКС были доставлены цилиндры из сплава свинца и олова. Каждый из образцов, используя специальное оборудование, представленное на рисунке слева, нагревался до температуры в 185 градусов C. В условиях микрогравитации этой температуры достаточно, чтобы кристаллическая решетка потеряла свою устойчивость и начались процессы образования металлических "снежинок". В Земных условиях из-за разницы плотностей, при этом образования олова стремятся подняться наверх, распределение металлов меняется, что сильно затрудняет наблюдение процесса. Но в невесомости таких проблем не возникает.
Еще одна проблема гравитации - это неустойчивость дендрита. Когда структура становится слишком сложной, она начинает разваливаться. В космосе нет и этой проблемы. После завершения обработки образцов требуется сложное оборудование, доставить и управлять которым на МКС весьма проблемно. Поэтому цилиндры вначале заморозили, чтобы зафиксировать структуру и избежать распада, а после погрузили на корабль DragonX и доставили обратно на Землю. Это первый в истории случай, когда материалы и результаты эксперимента перемещаются между станцией и Землей за один полет.
На Земле у специалистов NASA есть примерно 100 дней. Именно столько нужно для того, чтобы конвекция испортила весь проведенный эксперимент, чего допустить нельзя. Спустя несколько дней после посадки на образцы были нацелены микроскопы в лаборатории на Земле.
<"http://www.astronews.ru/foto/b/449.jpg" align="left">
Большинство результатов оправдали себя. Ветви дендритов, полученных на МКС находятся на большом расстоянии друг от друга и, при этом, довольно прочны. Гравитация попросту не позволяла им затвердеть в таком состоянии, а в невесомости это стало возможным. Таким образом, цилиндры понизили свою плотность, став более легкими, а так же удвоили свою прочность и устойчивость к перепадам температур.
Безусловно, требуются слишком большие затраты, чтобы доставить металл на МКС, далее расплавить его и заморозить, а после вернуть обратно. Однако все же, вполне возможно, что МКС в ближайшее время станет небольшим заводом по производству сверхпрочной аппаратуры для космических исследований (например, атмосферных щитов) и оборудования для исследований дна океанов, работы глубоко под Землей и т.д.
