А.Р.СОРРЕЛЛС МНОГООБЕЩАЮЩАЯ НЕВЕСОМОСТЬ За несколько десятков лет до того, как человек вышел в открытый космос и в условиях полной невесомости стал парить над Землей, один французский математик как-то задумался над чисто абстрактным вопросом. Всем известно, что жидкости не могут существовать сами по себе — они обязательно должны быть заключены в тот или иной контейнер. «А что было бы, если бы они обходились без контейнера? Что тогда можно было бы делать с такими «взвешенными» жидкостями?» — размышлял ученый. Тема эта настолько увлекла его, что он посвятил ей пятитомный трактат «Traité de Mécanique», последний том которого вышел в 1955 году — через двадцать пять лет после смерти автора. Имя этого ученого Поль Аппель, и в настоящее время его труд глубоко заинтересовал сотрудников Научно-исследовательского центра космических полетов имени Маршалла в Хантсвилле (Алабама). В этом учреждении, подведомственном Национальному управлению по аэронавтике и исследованию космоса (НАСА), живо интересуются не только трудом Аппеля, но и любым другим научным трактатом на такую тему. Для ученых Хантсвиллского центра тема, увлекшая Аппеля. приобретает вполне актуальное значение, так как бесконтейнерная обработка жидких материалов в условиях космической невесомости может стать ключом, который откроет двери в новый век техники, быть может, даже в век «биологической машины». Разумеется, началу этому будут предшествовать долгие годы космических исследований, но в конечном итоге они, быть может, приведут к тому, что человек сумеет «выращивать» — молекула за молекулой — машины из жидкотелых материалов, подобно тому, как это делает природа, выращивая людей, насекомых и деревья. Если это осуществится, мы вступим в мир машин, у которых не будет ни колес, ни насосов, ни поршней, ни шестерен. Машины эти произведут переворот в химии твердых тел и будут совершать чудеса, какие творят почки или печень в организме человека и животных. Старт этой программе будет дан уже в нашем десятилетии, когда на околоземную орбиту выйдут первые космические лаборатории. Перед инженерами-конструкторами внезапно откроется новый мир, в котором можно творить волшебства, где притяжение — эта загадочная сила, удерживающая Вселенную в равновесии, — будет погашена в космических лабораториях центробежной силой. Под рукой у ученых будут и океан абсолютного вакуума, и очень низкие температуры, и радиация. Но в этом окружении абсолютно новым для них будет невесомость, невоспроизводимая на Земле. Единственный не подчиняющийся притяжению процесс на Земле — это свободное падение, о чем люди знали еще в средние века. С давних времен им пользовались при изготовлении дроби: на высокой башне расплавленный свинец пропускали через сито, и капли примерно за четыре секунды свободного падения на землю образовывали круглые дробинки. В последние годы кратковременное состояние невесомости порядка двадцати секунд достигается на большой высоте в самолете. С выходом же на околоземную орбиту космических лабораторий разработка технологических процессов в условиях невесомости может длиться годами. Ралф Рууд, вице-президент компании «Норт-Американ Рокуэлл корпорейшн», посвятивший долгие годы разработке проектов, связанных с развитием авиации и космоса, считает, что инженерам-конструкторам следует всерьез задуматься над промышленным потенциалом космического пространства. Авт. права: фирмы «Норт-Американ Рокуэлл корпорейшн . 1969 г.

Промышленные процессы в условиях космического пространства открывают новые технические перспективы

«Пришло время использовать эту новую среду; ее эксплуатация значительно повысит индустриальную и экономическую мощь нашего общества. — говорит он. — Результаты скажутся сразу, и мы почувствуем их непосредственно. Ведь уже теперь мы извлекаем немалую практическую пользу от метеорологических и прочих спутников. С помощью спутников связи мы получаем цветные телерепортажи событий, происходящих в разных концах света. Разве это не свидетельствует о перевороте в области коммуникаций? Сейчас наши инженеры, сотрудничая с НАСА, разрабатывают метод бесконтейнерного производства стекла нового вида, которое не может быть изготовлено на Земле по причине его кристаллизации в момент остывания в форме. Из двадцати пяти технических проектов, предложенных инженерами для осуществления в условиях космической невесомости, мы остановились на производстве такого стекла, так как этот процесс сулит ранний успех».

Если бы на нашу прекрасную бело-голубую планету наткнулись космические странники из иных миров, они наверняка колонизовали бы ее, а окружающее Землю свободное от притяжения космическое пространство использовали бы для производства материальных ценностей. Ганс Вюншер, помощник директора отдела перспективных проектов в Инженерно-конструкторской лаборатории НАСА в Хантсвилле, заглядывает еще дальше. Он указывает, что большая часть огромных средств, идущих, скажем, на производство машинного оборудования по прокатке, штамповке и резке металлов, а также на строительство помещений, где это оборудование устанавливается, будет сэкономлена, если производство перенести в космос. На земле почти все процессы — начиная с молний, ежегодно причиняющих ущерб в миллиарды долларов, и кончая методами производства стали и ботинок — обусловливаются вездесущей силой притяжения.

«Человек достиг многого, — говорит Вюншер. — В окружающей его среде, где властвует сила притяжения, а также в атмосфере, он осуществил большую долю того, о чем мечтал. Но есть еще много другого, что возможно осуществить лишь в безвоздушном пространстве, но не на Земле, где мы скованы силой притяжения».

Вюншер любит поговорить о захватывающем будущем космоса. Он представляет себе, как на стационарных орбитах, один за другим начнут возникать промышленные комплексы, которые он называет «Синхронными островами». Они повиснут на круговой экваториальной орбите в 35 000 километров от Земли и будут казаться неподвижными.

«Эти промышленные комплексы дадут возможность производить уникальные материалы в зависимости от потребностей мирового рынка, — говорит Вюншер. — Синхронные острова будут обозначены на любых картах с такой же точностью, с какой на них обозначен, скажем, Занзибар».

В настоящее время, считает Вюншер, мы находимся примерно в том же положении, в каком мир был триста лет назад, когда Эванджелиста Торричелли — математик при дворе великого герцога и профессор Флорентийской академии — обнаружил вакуум.

«Торричелли открыл двери в машинный век, — продолжает Вюншер. — Он отец современной техники, так как без знания вакуума не было бы атмосферного и других двигателей внутреннего сгорания, не работали бы паровые машины, не производилась бы сталь, не было бы ни телевидения, ни электроники, ни самого космического века. И если вакуум, полученный в гуще воздушной среды, положил начало эпохе механических машин и электронных ламп, то можно смело утверждать, что выход в свободную от притяжения среду откроет новую страницу в истории техники».

Разумеется, пройдет двести, триста, а то и больше лет, прежде чем мы на полную силу используем возможности и преимущества этой новой среды, говорит Вюншер.

На околоземной орбите, в условиях невесомости, жидкость становится свободным независящим от контейнера телом, и это открывает путь к осуществлению многих новых технологических процессов. Используя метод «управления энергией», мы, быть может, сумеем придать жидкому металлу любые формы пои помощи электрических полей, запрограммированных ЭВМ. При этом отпадет проблема ликвации термической конвекции, что позволит смешивать металлы для получения желаемых пределов прочности без посредства механизированных процессов, которые на Земле создают внутреннее напряжение во всем, что мы производим.

«Но все эти идеи относятся лишь к области усовершенствования уже известных нам производственных процессов, — говорит Вюншер. — Инженерам пришло время подумать о создании новых механизмов, скажем, биологической машины. Возможно, в космосе мы сможем изготовлять мембраны толщиной в два ангстрема (две стомиллионных доли сантиметра) из стали и других металлов. Наслаивая такие мембраны толщиной в две-три молекулы одна на другую, можно создавать целые системы.

«В условиях невесомости обработка жидкостей даст нам уникальное преимущество, в процессах будут доминировать адгезия (прилипание двух разнородных фаз) и когезия (сцепление двух однородных фаз). Использованы будут и поверхностное натяжение и капиллярность.

«Невесомость внесет в технологию металлов и другие значительные перемены. Исчезнет реакция вытеснения, и в смеси составные части различной плотности не будут распадаться. Кроме того, равновесие жидкости не будет нарушаться неравномерным нагреванием или охлаждением, обычным в сфере притяжения. Более того, направленная стабильность (и нестабильность) компонентов, которую вызывает сила притяжения, в условиях невесомости нейтрализуется. Так, жидкость не будет вытекать из-под слоя поверхностного натяжения, как это происходит с пенистыми жидкостями на Земле. Поэтому можно предположить, что в условиях космоса из любой смеси жидкости и газа удастся получить устойчивые пеноматериалы».

Трудно сегодня предсказать все возможности космической технологии. В качестве примера Вюншер приводит проблему «вечного двигателя», решение которой на Земле кажется невозможным в силу того, что даже самая совершенная модель такого двигателя будет терять энергию от трения и должна будет черпать ее извне, что исключает возможность вечного движения. В условиях невесомости трение исчезнет, так как нагрузка на подшипники будет равняться нулю.

«Я имею в виду, — продолжает Вюншер, — что с теоретической и практической точек зрения вечный двигатель в наше время вполне может стать реальностью».

Литье и выдувка стекла — два наиболее старых ремесла на Земле. Плавающие на околоземной орбите жидкие материалы будут принимать форму совершенного шара. Формирующим фактором явится поверхностное натяжение, которое образует тонкая оболочка молекул.

«Вполне определенно вырисовывается возможность литья на основе поверхностного натяжения, — говорит Вюншер. — Каждый, кто держал когда-либо паяльник, знает, что если на стержень набрать слишком много припоя, то последний оборвется. Это действует сила тяготения. Припой обрывается сразу же, как только поверхностное натяжение и капиллярные силы перестают удерживать его вес. В условиях невесомости масса припоя может быть неограниченной, и жидкий металл, налитый в полость формы или поверх нее, образует по всей поверхности слой равной толщины. Это открывает возможность многослойного литья и позволит накладывать друг на друга металлы с высокой и низкой температурой плавления без нарушения геометрических форм».

Вводя внутрь расплавленного металлического ядра газ, мы можем образовать полую сферу, внутренняя поверхность которой также затянется молекулярной оболочкой, отделяющей газовое ядро от расплавленной массы. На Земле расплавленная масса просто бы оплыла. Подобное происходит с мыльным пузырем: жидкость отекает, оболочка наверху становится тонкой и разрывается. В условиях невесомости, по-видимому, можно создать идеальные сферические тела из любого количества жидких материалов. Возможно, полые сферы абсолютной точности удастся выдувать из материалов, которых не производят на Земле. Это проложило бы путь к изготовлению шарикоподшипников высокой точности и прочности с различной толщиной стенок и из различных комбинаций металлов. На Земле такие подшипники нашли бы самое широкое применение. В настоящее время американская авиационная промышленность разрабатывает методы производства полых шарикоподшипников большой точности, в частности для очень больших вертолетных винтов и для экранов сверхмощных радарных установок. Абсолютно сферические подшипники, изготовленные в космосе, будут работать в десять раз дольше сделанных на Земле.

К двухтысячному году космическая технология может дать нам сталь или многочисленные сплавы, способные держаться на воде подобно пробке. Вводя в металл газ, словно дрожжи в тесто, мы сможем получить металлические пеноматериалы, которые произведут переворот в истории применения металлов. Кроме того, мы освоим, наверное, производство сплавов из различных по весу металлов. Осуществить это в наших условиях очень трудно, так как в процессе составления сплава тяжелые металлы тонут, а легкие всплывают. Например, сделанные из такого сплава концы самолетных крыльев обладали бы легкостью алюминия и всеми свойствами нержавеющей стали. Сплав из 87 процентов газа и 13 процентов стали будет совершенно свободно держаться на воде.

Сейчас у нас производится много видов металлических пеноматериалов, но их поры открыты, как у губки, они не имеют структурной прочности и не способны выдерживать больших нагрузок. Пеноматериалы, о которых мечтают инженеры НАСА, будут отличаться совершенно новыми структурными качествами. Их клетки будут почти микроскопическими, и стенки клеток смогут выдерживать большие нагрузки, не деформируясь. Таким образом, хрупкие металлы, скажем, бериллий, можно было бы сделать прочными одним вспениванием или вспениванием и смешиванием с другими металлами.

«В природе оптимальное решение структурной плотности органических материалов достигается путем увеличения их массы, иначе говоря, в процессе роста, — продолжает Вюншер. — Природа может «растить» бесконечно большое число различных структурных материалов из одних и тех же элементов. Не исключена возможность, что в условиях невесомости мы со временем научимся создавать подобным же путем роста структуры из неорганических материалов».

Разрабатывая космическую технику, инженеры-конструкторы прежде всего должны исходить из того, что в безвоздушной среде тела не имеют собственного веса.

«На Земле конструкции домов, мостов, машин и т. д. обусловлены фактором их собственного веса, — говорит Вюншер. — В космосе сооружения и машинные агрегаты могут быть в десять тысяч и в сто тысяч раз большими по размеру просто потому, что их собственный вес не будет обусловливающим фактором».

Вюншер представляет себе космическое предприятие как производственное ядро, вокруг которого разместится всякое оборудование. Когда, например, космическому «заводу» потребуется место для нового агрегата, ненужное в этот момент оборудование выведут в специальный отсек, откуда через открытый люк механическая рука вынесет его наружу. Там оно будет плыть по орбите рядом с заводом сколько угодно времени, а при желании может быть запросто возвращено на свое место той же механической рукой. Орбитальный завод будет являть собой как бы островок с роем плывущих вокруг агрегатов.

Такую механическую руку длиной в 150 метров и действующую во всех направлениях сконструировать нетрудно. Обслуживаемая ею площадь равнялась бы площади десяти больших авиационных ангаров.

«В космосе сооружения и машинные агрегаты могут быть в десять тысяч и в сто тысяч раз большими по размеру»

Отсутствие у тел собственного веса в космосе может привести к созданию агрегата, который будет производить методом экструзии стеклянные и металлические прутья, а также балки длиной в пятнадцать и более километров, предназначенные для сооружения огромных космических станций. Можно предположить, что такие орбитальные промышленные комплексы будут производить тонны уникальных материалов, которые будут сбрасываться на Землю так же, как сбрасывается с самолетов тяжелое военное снаряжение.

Как ни странно, но наша планета становится слишком малой для целого ряда технических процессов, которые нам хотелось бы осуществить. Например, некоторые ядерные процессы было бы куда выгоднее осуществлять в условиях невесомости на бескрайних просторах космоса, в частности процесс разделения изотопов или поиск новых элементов. И то и другое может потребовать рабочей площади протяженностью до пятнадцати километров и среду абсолютного вакуума. Такая научно-исследовательская станция обошлась бы одинаково дорого и на Земле, и в космосе, но космос предлагает нам бесплатно вакуум и низкие температуры. Новые сверхпроводящие металлы, которые будут применяться в таких процессах, потребуют всех этих условий. Эта пребывающая в эмбриональном состоянии техника, возможно, получит широчайшее развитие в космосе.

Задолго до того, как все эти фантастические проекты начнут становиться реальностью, земляне уже будут пожинать плоды технологических поисков, осуществляемых на расстоянии каких-нибудь 150—300 километров от Земли. Д-р Матайас Сибел, директор Инженерно-конструкторской лаборатории НАСА в Хантсвилле, указывает на заманчивую возможность ускоренного получения вакцин в космосе.

«Если бы у нас была космическая лаборатория для производства вакцины во время прошлых эпидемий азиатского гриппа, мы не испытывали бы такой нехватки вакцины», — говорит Сибел.

«В условиях невесомости вакцины можно производить в два с лишним раза быстрее, чем на Земле, где культуры выращивают на плоской поверхности, — продолжает он. — В невесомости нет плоской поверхности, и потому культуру вакцины могут развивать во всех направлениях».

Сила притяжения оказывает сильное воздействие на многие химические и биологические процессы; по этой причине, говорит Сибел, фармацевтическая промышленность затрачивает большие средства на аппаратуру, необходимую для отделения близких по плотности молекул в некоторых сложных лекарственных составах. Трудно осуществимый на Земле, в космосе такой процесс отделения может быть выполнен в бесподшипниковой центрифуге, способной вращаться неопределенно долгое время. Длительность действия центрифуги на Земле ограничивается трением ее подшипников.

В настоящее время НАСА приступило к разработке космической лаборатории, которая должна выйти на околоземную орбиту в конце семидесятых годов. Ее первая задача — выявить технический потенциал невесомости.

В XVII веке Торричелли не знал, какое применение найдет открытый им вакуум. И только без малого через триста лет, в двадцатых годах нашего столетия, вакуум впервые широко использовали в производстве радиоламп. Также не знаем мы, что принесут нам наши открытия в космосе. В условиях невесомости различные материалы, химические и биохимические процессы, возможно, приведут к открытиям, о которых мы не только не подозреваем, но даже и не мечтаем. В ближайшие десять-двадцать лет, по словам Сибела, мы станем свидетелями захватывающих событий. В нынешнем десятилетии в космосе развернутся лишь экспериментальные работы, но фирмы, которые воспользуются преимуществами новой среды, вероятно начнут извлекать выгоды, если не сразу, то лет через пять, десять или двадцать.

Одна из интереснейших перспектив космической технологии лежит в области образования кристаллов. Металлург д-р Харви Ютеч, сотрудник Национального бюро стандартов, интересуется возможностью выращивания в условиях невесомости не имеющих дислокаций (или идеальных) кристаллов из расплава.

Дислокация — линейные дефекты кристаллической решетки, нарушающие чередование атомных плоскостей, — обычно наблюдаются во всех кристаллических материалах, в том числе и в металлах. Даже в высококачественном кристалле бывает до миллиона дислокаций на квадратный сантиметр. Наличие этих дефектов обуславливает в металлах пластическую деформацию и понижает их прочность.

«Если бы нам удалось выращивать бездислокационные кристаллы, мы, очевидно, достигли бы теоретического предела текучести металлов, выражаемого цифрой в тысячи килограммов на квадратный сантиметр, — говорит Ютеч. — В результате мы смогли бы получать стальные и другие сплавы с пределом текучести по меньшей мере в десять раз более высоким, чем у самых прочных сплавов, известных нам сегодня».

В растущих из расплава кристаллах дислокации возникают по разным причинам. Иногда дефекты наследуются от зародыша, из которого начинается механизм роста, другие возникают от прилагаемых напряжений извне, от тепловых колебаний и т. д. В условиях невесомости некоторые из дислокаций возникать не будут вообще, возникновение же других может быть устранено с помощью специальной аппаратуры. Таким образом, говорит Ютеч, кристалл в космосе может оказаться намного совершеннее своего двойника на Земле.

Бездислюкационные волокна, вводимые в структуру ковких сплавов, могут быть из различных металлов. В результате появится ассортимент совершенно новых материалов.

Если удастся решить проблему дислокации, такие волокна можно будет делать из меди, стали, золота и других распространенных металлов.

Эксперименты по выращиванию кристаллов будут проводить в первых орбитальных лабораториях, однако опыты не ставят перед собой целью создание бездислокационных кристаллов.

Чтобы не вносить в рост кристаллов нарушений, в космосе их будут выращивать вне контейнера. Бесконтейнерным способом будут изготовлять и виды стекла, которые невозможно получить на Земле. Разработка методов производства такого стекла в условиях невесомости поручена Бобу Олсену, сотруднику отдела космических исследований фирмы «Норт-Американ Рокуэлл корпорейшн».

«Член нашего коллектива Ралф Хэппе повидался с несколькими стеклопромышленниками, и всех их увлекла идея производства стекла в космической среде, — говорит Олсен. — Отсутствие примесей, быть может, позволит получить неизвестные по своему составу виды стекла с новыми оптическими свойствами. И вполне вероятно, что это даст оптической промышленности ассортимент качественного стекла и обеспечит выпуск высокосветосильных объективов.

«Опыты со стеклом кажутся нам наиболее подходящими в условиях невесомости. Так, шар космического стекла диаметром в 15 см на Земле может быть использован для многих специальных целей, вплоть до отшлифовки из него линзы. Обработка такого стекла на Земле будет самой дешевой фазой всего процесса».

Олсен предвидит создание полностью автоматизированного космического агрегата, работающего на солнечной энергии и управляемого с Земли или с ближайшей космической лаборатории. Окисел, приготовленный на Земле для производства нового стекла, будет выведен на орбиту космическим кораблем, который займет позицию поблизости, чтобы управлять процессом плавки. Солнечная «печь» приблизится к окислу и направит на него тепловой луч. Произойдет плавление, и образовавшаяся стеклянная масса, по мере остывания, примет форму шара. Тем временем плавильный агрегат постепенно отведут в сторону.

«После завершения процесса стеклянный шар доставят на Землю тем же космическим кораблем или, поместив в жаростойкий контейнер, сбросят в океан, где его выловят обычным путем», — говорит Олсен.

Хэппе объясняет, что окислы алюминия, гафния, циркония и титана, по-видимому, вполне пригодны для производства стекла в условиях невесомости, так как все эти металлы обладают нужными оптическими свойствами. Есть, очевидно, и другие вещества, пригодные для этого. В нашей среде окислы перечисленных металлов не могут быть использованы, потому что нет таких контейнеров, в которых их можно было бы плавить.

«Новые виды стекла будут, наверное, отличаться лучшими светособирательными качествами, что обеспечит производство более совершенных и более светосильных линз, которые найдут себе широкое применение», — замечает Олсен.

Что касается солнечной печи, то Олсен считает ее идеальной для плавки любых материалов и вполне осуществимой при нынешней технике.

«В условиях невесомости также можно будет изготовлять стекло для смотровых окон реакторов, работающих на высоких температурах, — говорит Олсен. — На Земле получить его невозможно».

Список материалов, которые можно производить только в космосе, кажется бесконечным.

Авиационно-космическая промышленность с ее новейшей техникой производит большое количество структурных компонентов, отличающихся высокими эксплуатационными качествами. Однако их производство на Земле требует дорогостоящих ковки или машинной обработки. Высокую стоимость производства этих деталей можно намного сократить, если их изготовлять литьем, являющимся наиболее прямым способом придания материалу сложной конфигурации.

Отливка деталей из комбинированных металлов в земных условиях неосуществима. Плавучесть и высокая текучесть различных по плотности металлов ведет к их отделению друг от друга. В космосе такого отделения не произойдет.

Детали, предназначенные для эксплуатации в среде с температурой порядка тысячи градусов, в условиях невесомости можно отливать бесконтейнерным способом. При этом вполне реальной, по-видимому, станет в космическом пространстве отливка компонентов различных конструкций из комбинированных металлов.

В наши дни говорить о практической пользе космоса еще преждевременно. Об этом в свое время засвидетельствуют технические и экономические блага, которые он подарит нашей планете — этому «замечательному оазису», как ее назвали первые путешественники на Луну.