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 рад. і рос. джерелах) також вживають для ви­значе­н­ня процесів отрима­н­ня матеріалів для виробів ракетно-косміч. техніки. У сучас. косміч. про­грамах структура до­­слідж. в галузі К. м. ви­значається двома осн. напрямами.

До першого від­носять фундам. закономірності фіз.-хім. 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, упр. гідродинам. потоками (електромагнітне пере­мішуван­ня, вібрац. вплив), упр. 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 фундам. про­блем фізики космосу, другий — до влас­не К. м. На поч. косміч. ери вважалося, що дослідж. з К. м. ви­значатимуть основу індустріалі­зації космосу. Такі сподіва­н­ня випливають з унікал. умов, які досягаються під час косміч. польоту, а саме: від­сутність (мале значе­н­ня) гравітац. конвекції в рідинах, не­змішуваність компо­нентів з різною густиною, пе­­ре­важаюча роль поверхн. сил порівняно з масовими, можливість утрима­н­ня роз­плаву без контак­ту зі стінками контейнеру тощо. На цій основі перед­бачалося створити матеріали з новими структур. станами, монокриста­ли з унікал. властивостями, нові класи композиц. матеріалів тощо.

Однак великий екс­перим. мате­ріал, здобутий зокрема на піло­тов. косміч. станціях («Салют», «Мир», «Spacelab»), довів необ­хідність ви­вче­н­ня склад. фіз.-хім. процесів в умовах мікро­гравітації, а також нового рівня моделюва­н­ня цих процесів. Предметом дослідж. у К. м. ви­ступають процеси тверді­н­ня різних матеріалів (метали, сплави, ке­­раміка, полімери тощо), вирощува­н­ня монокри­сталів різних речовин, роз­робле­н­ня гетерофаз. структур з парової фази, процеси транс­порту у рідинах і сумішах, зокрема при низьких т-рах, одержа­н­ня гетеро­структур з парової фази. Суміж. про­блемами є дослідж. течій у склад. рідинах і сумішах, поверхн. яви­ща, зокрема конвекція Маранґоні, течії у рідких пере­мичках. За­звичай про­грами з К. м. вклю­чають викори­ста­н­ня різних засобів для створе­н­ня умов нева­гомості (мікро­гравітації). Окрім власне орбітал. комплексів, які до­зволяють проводити системат. дослідж., використовують спеціально обладнані літаки, що здійснюють короткочас. політ параболіч. траєкторією (стан невагомості реалізується протягом бл. 20 сек.), а також башти ски­да­н­ня (5 сек.). Досить часто за­стосовують також наземні при­строї, в яких сила тяжі­н­ня компенсується, зокрема електромагніт. (або ін.) силами,– т. зв. левітатори.

Серед найвідо­міших дослідниц. центрів у галузі К. м. — ім. Дж.-Г. Ґлена Нац. упр. з аеронавтики і дослідж. кос­міч. простору (м. Клівленд, США), Нім. косміч. агентства. Осн. результати дослідж. з К. м.: визна­че­н­ня фундам. параметрів процесів пере­носу в рідинах (зокрема коефіцієнтів дифузії) для низки речовин; виявле­н­ня вирішал. ролі та дослідж. особливостей конвекції Маранґоні (тер­мокапіляр. та термоконцентрац. конвекції, викликаної градієнтом поверхн. натягу на вільній границі рідина–пара) у процесах, що ви­значають тепломасоперенос у роз­плавах в косміч. умовах; пере­вірка теорії вільного дендрит. росту кри­сталів у роз­плаві за допомогою прямого спо­стереже­н­ня про­зорих модел. речовин; встановле­н­ня механіз­мів впливу гравітац. конвекції на формува­н­ня литої структури ме­талів та сплавів. В Україні актуал. 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). Укр. вчені вперше в світі виконали екс­перимент зі зварюва­н­ня в космосі, а також дослідж. процесів різа­н­ня та пая­н­ня. Результати дослідж. публікують у журналах «Microgravity Science and Technology», «Поверх­ность. Рентгеновские, синхротрон­ные и нейтрон­ные ис­следования», «Физика и химия обработки ма­териалов» (обидва — РАН).

Завантажити статтю