Космічне матеріалознавство
КОСМІ́ЧНЕ МАТЕРІАЛОЗНА́ВСТВО — напрям космічних досліджень, що вивчає вплив космічних умов (невагомість, радіаційний вплив, вакуум тощо) на фізико-хімічні властивості матеріалів і процеси одержання матеріалів із рідкої, газоподібної фази та сумішей і розроблення відповідних методів. Інколи це поняття (в радянських і російських джерелах) також вживають для визначення процесів отримання матеріалів для виробів ракетно-космічної техніки. У сучасних космічних програмах структура дослідження в галузі К. м. визначається двома основними напрямами.
До першого відносять фундаментальні закономірності фізико-хімічних процесів в умовах невагомості (мікрогравітації), зокрема транспортні явища в рідинах і сумішах, кристалізація розплавів і розчинів, поверхневі явища. До другого належить розроблення методів і технологій одержання кристалів з особливими властивостями, управління гідродинамічними потоками (електромагнітне перемішування, вібраційний вплив), управління структурою металів та сплавів, створення надчистих білкових кристалів тощо. Історично ці два напрями певний період обʼєднувалися в напрям «наук про мікрогравітацію». Нині у класифікації COSPAR (Committee on Space Research) перший напрям відносять до фундаментальних проблем фізики космосу, другий — до власне К. м. На початку космічної ери вважалося, що дослідження з К. м. визначатимуть основу індустріалізації космосу. Такі сподівання випливають з унікальних умов, які досягаються під час космічного польоту, а саме: відсутність (мале значення) гравітаційної конвекції в рідинах, незмішуваність компонентів з різною густиною, переважаюча роль поверхневих сил порівняно з масовими, можливість утримання розплаву без контакту зі стінками контейнеру тощо. На цій основі передбачалося створити матеріали з новими структурними станами, монокристали з унікальними властивостями, нові класи композитних матеріалів тощо.
Однак великий експериментальний матеріал, здобутий зокрема на пілотованих космічних станціях («Салют», «Мир», «Spacelab»), довів необхідність вивчення складних фізико-хімічних процесів в умовах мікрогравітації, а також нового рівня моделювання цих процесів. Предметом дослідження у К. м. виступають процеси твердіння різних матеріалів (метали, сплави, кераміка, полімери тощо), вирощування монокристалів різних речовин, розроблення гетерофазних структур з парової фази, процеси транспорту у рідинах і сумішах, зокрема при низьких температурах, одержання гетероструктур з парової фази. Суміжними проблемами є дослідження течій у складних рідинах і сумішах, поверхневі явища, зокрема конвекція Маранґоні, течії у рідких перемичках. Зазвичай програми з К. м. включають використання різних засобів для створення умов невагомості (мікрогравітації). Окрім власне орбітальних комплексів, які дозволяють проводити систематичні дослідження, використовують спеціально обладнані літаки, що здійснюють короткочасний політ параболічною траєкторією (стан невагомості реалізується протягом близько 20 сек.), а також башти скидання (5 сек.). Досить часто застосовують також наземні пристрої, в яких сила тяжіння компенсується, зокрема електромагнітними (або іншими) силами,– т. зв. левітатори.
Серед найвідоміших дослідницьких центрів у галузі К. м. — імені Дж.-Г. Ґлена Національного управління з аеронавтики і дослідження космічного простору (м. Клівленд, США), Німецького космічного агентства. Основні результати дослідження з К. м.: визначення фундаментальних параметрів процесів переносу в рідинах (зокрема коефіцієнтів дифузії) для низки речовин; виявлення вирішальної ролі та дослідження особливостей конвекції Маранґоні (термокапілярної та термоконцентраційної конвекції, викликаної градієнтом поверхневого натягу на вільній границі рідина–пара) у процесах, що визначають тепломасоперенос у розплавах в космічних умовах; перевірка теорії вільного дендритного росту кристалів у розплаві за допомогою прямого спостереження прозорих модельних речовин; встановлення механізмів впливу гравітаційної конвекції на формування литої структури металів та сплавів. В Україні актуальними проблемами з К. м. займаються в Інституті проблем матеріалознавства НАНУ, Інституті електрозварювання НАНУ, Інституті металофізики НАНУ, Інституті космічних досліджень НАНУ та ДКАУ (усі — Київ), КБ «Південне» (Дніпропетровськ). Українські вчені вперше в світі виконали експеримент зі зварювання в космосі, а також дослідження процесів різання та паяння. Результати дослідження публікують у журналах «Microgravity Science and Technology», «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», «Физика и химия обработки материалов» (обидва — РАН).
Додаткові відомості
- Основні праці
- Гришин С. Д., Лєсков Л. В. Индустриализация космоса: Проблемы и перспективы. Москва, 1987; Науман Р. Й., Фойербахер Б. и др. Космическое материаловедение: Введение в научные основы космической технологии / Пер. с англ. Москва, 1989; Космос: технологии, материаловедение, конструкции: Сб. науч. тр. К., 2000; Дослідження та використання космосу. Сьогодні й завтра. К., 2012.