На космической станции скоро появится "металлургическая печь" - электромагнитный левитатор MSL-EML
Астронавтам, работающим на борту Международной космической станции (МКС)
в скором времени придется периодически одевать сварочные защитные очки
для того, чтобы предохранить свои глаза от яркого света металла,
расплавленного в недрах новой научной установки.
Эта научная установка,
которая называется Materials Science Laboratory-Electromagnetic
Levitator (MSL-EML), будет доставлена на космическую станцию грузовым
космическим кораблем Европейского космического агентства (ЕКА) Automated
Transfer Vehicle 5 (ATV-5) "Georges Lemaitre", старт которого намечен
на июнь этого года. Основной задачей, которая будет решаться при помощи
установки MSL-EML, станет изучение процессов плавления металлов и
сложных сплавов в условиях нулевой гравитации.
Большинство
металлов и сплавов имеют микрокристаллическую структуру, размеры которой
зависят от режимов плавления и охлаждения расплава, и от размеров
которой напрямую зависят механические свойства материала. В качестве
понятного всем примера можно привести процесс закаливания лезвия ножа,
когда металл разогревается до температуры свечения красным цветом и
затем погружается в воду или специальный раствор. Резкое и быстрое
охлаждение изменяет кристаллическую микроструктуру стали, делая ее более
твердой и способной сохранять длительное время остроту граней.
Пример
кажется достаточно простым, на сами процессы, происходящие при этом,
весьма сложны. Но еще более сложные процессы происходят, когда
расплавленный металл заливают в литьевую форму. Различия температуры
элементов формы, металла и его плотности приводят к возникновению
конвекционных потоков из-за которых получившаяся отливка имеет
неоднородную структуру. Происходящие в расплавленном металле процессы
малоизученны, поэтому до сих пор литье из металла более напоминает некий
вид искусства, нежели технологию.
Литье в невесомости или в условиях микрогравитации является одним из
способов избежать неоднородности металла при литье. В отсутствие
гравитации не возникает никаких конвекционных потоков, способствующих
неравномерному распределению тепла внутри отливки. Кроме этого, при
литье в невесомости нет необходимости в использовании традиционных
литьевых форм, расплавленный металл может удерживаться и формоваться при
помощи магнитных полей. Это, также, полностью исключает загрязнение
металла элементами из материала формы.
К сожалению, на Земле
очень сложно получить невесомость. Внутри самолета, летящего по
параболической траектории, невесомость возникает максимум на 20 секунд
времени, чего недостаточно даже для проведения более-менее серьезных
исследований. И сейчас единственным местом, где постоянно существует
невесомость, является космическая станция.
Установка MSL-EML, вес
которой составляет 360 килограмм, была изготовлена компанией Airbus
Defence and Space при содействии специалистов ЕКА и Германского
космического агентства DLR. Установка будет установлена в отсеке
лаборатории Columbus Laboratory и она состоит из высокотемпературной
камеры внутри которой в вакууме или в газовой атмосфере будут плавиться
образцы металлов или сплавов. Эти образцы будут удерживаться с помощью
магнитного поля, а нагрев будет производиться при помощи индукционной
катушки. Все, происходящее с образцами, будет фиксироваться при помощи
обычной цифровой камеры, высокоскоростной камеры, способной снимать со
скоростью 30 тысяч кадров в секунду, а для контроля температуры образца
там установлен пирометр.
Во время использования в
камеру установки MSL-EML будет помещен один из 18 образцов материалов,
среди которых различные виды алюминия, меди, металлических и никелевых
сплавов. Магнитное поле будет удерживать образцы в центре камеры, не
допуская их контакта со стенками, а индуктор сможет разогреть эти
образцы до температуры в 2 тысячи градусов по шкале Цельсия.
Варьируя
условия нагрева и охлаждения, ученые будут определять наборы основных
факторов, влияющих на свойства конечного материала. Камеры и датчики
будут производить запись всех процессов, происходящих в моменты
плавления и охлаждения материала образцов во всех деталях. Все
обработанные образцы будут отправлены на Землю для дальнейшего их
анализа, который позволит выявить различия и совпадения практических
результатов с результатами многочисленных компьютерных моделирований.
Результаты
исследований, произведенных при помощи установки MSL-EML, будут иметь
чисто практическое применение. На их основе будут разработаны новые
технологии высокотемпературной обработки и литья, при помощи которых на
Земле можно будет производить большие количества некоторых уникальных
металлов и сплавов, крохотные количества которых можно было получить
раньше только в космосе.
