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.