Дата — 18 июля 1975 года. Место действия — космос. Борт «Союза», 00 часов 13 минут. Валерий Кубасов достает из футляра пеналы, осматривает их перед тем, как отнести в «Аполлон».
Борт «Аполлона», 00 часов 18 минут. Дональд Слейтон включает универсальную печь. Питание она получает от бортовой электросети.
Пеналы доставлены. Кубасов вставляет их в специальные гнезда в печи. Эксперимент начался. Цель его — научиться преодолевать вредные последствия земного притяжения.
Вредные последствия? Да, именно так. До недавнего времени человечество воспринимало гравитацию, как нечто само собой разумеющееся. Да и не мудрено. Сила притяжения не только удерживает нас на родной планете. Она заставила наш мир стать именно таким, каков он есть. Почти все химические и физические процессы в природе, в том числе и в нашем теле, протекают именно так, а не иначе, благодаря гравитации. И под это нам волей-неволей приходится подстраиваться. Простой пример: наши жилища. Внизу — фундамент, наверху — крыша, вход через дверь, а не через окна. А ведь фундамент только удорожает здание, но попробуйте обойтись без него! Тут же дом осядет под собственной тяжестью и разрушится. Не так уж удобно входить в свою квартиру через общую дверь, дожидаться лифта... Гораздо удобнее было бы через окна или крышу. Но не тут-то было! Не пускает нас Земля на большую высоту без специальных приспособлений.
Но сейчас технический прогресс достиг такой стадии, когда ему уже мешают «объективные» ограничения даже планетарного порядка. И пожалуй, наиболее ярко это проявилось в металлургии.
Металлы, которые мы сплавляем воедино, чтобы получить материалы с нужными нам свойствами, имеют разный удельный вес. Создавая новые сплавы — прочные, пластичные, жаропрочные, кислотоупорные, тепло- и электропроводные, металлурги стараются соблюдать два условия: обеспечить чистоту химического состава компонентов и добиться равномерного распределения компонентов в общей кристаллической решетке.
О первом из этих условий мы уже говорили. Металлурги научились получать чистые материалы. Но вот равномерное распределение компонентов... В земных условиях об идеальной равномерности говорить — увы! — не приходится. Как только жидкий расплав начинает затвердевать, вступает в действие гравитация. И более тяжелые компоненты опускаются к основанию слитка, а более легкие остаются наверху.
Впрочем, полностью равномерная структура далеко не всегда и нужна. Можно получить сплавы с новыми, весьма ценными свойствами, если расположить в них компоненты вполне определенным образом. Ну, скажем, чтобы внутри одного компонента были в шахматном порядке разбросаны скопления атомов другого. Это уже знакомые нам композиты. Но... опять все портит гравитация. Нагретые слои жидкости поднимаются вверх — этот закон физики мы усвоили и со школьной скамьи и из повседневной практики. Вот и в расплавленном металле все время происходит передвижение — более горячие участки всплывают наверх, а холодные опускаются вниз. Разве можно в таких условиях «удержать» атомы на одном месте? Разумеется, нет: они беспорядочно перемещаются по всему объему жидкого металла.
Приведем еще один пример вредного воздействия гравитации: кристаллы полупроводниковых материалов. Их выращивают в специальных установках, буквально в тепличных условиях. И опять притяжение планеты не дает элементам с большой разницей в удельных весах распределиться равномерно. Получается так, что тяжелые элементы собираются в одной части кристалла, а легкие в другой. И это ухудшает свойства полупроводников. Идеальные кристаллы с равномерным распределением компонентов обладали бы такими свойствами, о которых мы можем пока только мечтать.
Гравитация мешает порой в самых неожиданных случаях. Кто не держал в руках обыкновенный шарикоподшипник? Но мало кто знает, что основная трудность при его изготовлении — сделать... круглые шарики. Не удивляйтесь — это безумно трудная задача. На подшипниковых заводах работают сложнейшие станки-автоматы, чудо современной техники, которые изготовляют шарики, отличные во всех отношениях, но... не совсем круглые! Разумеется, на глаз этого не заметишь. И все же точные приборы неумолимо свидетельствуют: да, в каждом шарике имеется перекос на крохотные доли миллиметра. «Ну и что? — скажет иной читатель.— Какое значение может иметь такой перекос?» Оказывается, там, где детали вращаются с огромными скоростями, например в газовых турбинах, такая крошечная «некруглость» подшипников может привести к авариям.
А между тем есть простой способ получать идеально круглые шарики. Для этого надо жидкий металл по каплям сбрасывать с высоты. Каждая капля жидкости из-за поверхностного натяжения стремится принять форму идеального шара. Почему же не принимает? Только из-за земного притяжения. Гравитация — виновница того, что капля принимает вытянутую, «каплеобразную» форму.
Это лишь несколько из известных, можно сказать, хрестоматийных примеров. Можно ли сосчитать все возможности, скрывающиеся в технологии, каким-то образом освобожденной от гравитации? Впрочем, и то, о чем мы сейчас рассказали, надо было еще подтвердить. Этому и был посвящен эксперимент под названием «Универсальная печь».
Совместный эксперимент объединил усилия ученых двух великих держав. Конструкцию печи разработали американские ученые. Это — графитовый блок с электроспиралью. Печь устроена так, что на одном ее конце температура 1050 градусов, а на другом — 730 градусов. Между этими двумя крайними точками — промежуточная зона, где температура постепенно меняется. Такая остроумная конструкция позволила как бы объединить в одном агрегате несколько, каждый из которых обладает своей степенью нагрева «на любой вкус». Таким образом, за один раз можно провести несколько экспериментов с различными веществами, для которых требуется разный нагрев. Эти вещества помещают в специальные пеналы, которые закладываются в печь. Пеналы создали советские ученые.
Автору этой книги посчастливилось держать в руках пеналы после их возвращения из космоса. Трудно описать чувства, которые обуревали меня в тот момент. Согласитесь, не так-то легко переломить в себе привычные представления. Казалось немыслимым вот так запросто обращаться с предметом «оттуда». Но вот они на моих ладонях — три трубки из нержавеющей стали длиной двадцать и диаметром два сантиметра каждая. Мне казалось, что я ощущал исходящий от тонких стенок жар печи и суровый холод космоса. Впрочем, это, конечно, воображение. В то время пеналы еще не вскрывали и никто не знал, что там внутри — удались эксперименты или нет. Сейчас мы уже знаем.
Пеналов — три, но это для страховки. В каждом из них — одинаковая «начинка» и, если результаты во всех трех будут одинаковыми, значит, любые случайности исключены.
В течение двух часов печь нагревалась и затем час выдерживалась при максимальной температуре. Потом начался самый ответственный этап — охлаждение содержимого пеналов со скоростью 0,6 градуса в минуту в течение 12 часов. К концу этого времени температура пеналов упала до 40 градусов. И вот плавка закончилась. Пеналы вынуты из печи и возвращены на «Союз». Все это время корабли воздерживались от каких-либо маневров на орбите, чтобы не нарушить невесомости.
В самой горячей зоне пеналов были ампулы с алюминием. Внутри алюминиевого цилиндра определенным образом расположены вольфрамовые шарики и стерженек. На Земле никакими силами нельзя заставить вольфрам раствориться в алюминии: обязательно осядет вниз. В условиях невесомости должен был образоваться новый невиданный сплав. Той же цели служила и ампула со свинцом и золотом. На Земле также очень трудно получить их химическое соединение из-за разницы удельных весов.
В противоположном конце пенала — ампула с алюминиевым порошком. Печь нагрела его до 730 градусов. Ученые хотели выяснить, как происходит процесс плавления и кристаллизации металлического порошка в невесомости и возможно ли в этих условиях создание материалов, о которых давно мечтают конструкторы. Это так называемые пенометаллы — металлы, заполненные газовыми пузырями. Например, пеносталь, состоящая из 90 процентов газа и 10 процентов собственно стали. Этот материал так легок, что будет плавать в воде, но прочность его не уступит обычной стали. Такие материалы найдут широкое применение в самолетостроении, ракетостроении, автостроении и других областях.
В промежуточной зоне — ампула с полупроводниковым твердым раствором германий — кремний. На Земле из этого раствора были выращены монокристаллы. При эксперименте в невесомости часть образца должна была расплавиться и остаться только маленький твердый кусочек. А затем, как на затравку, на него при медленном охлаждении должен был нараститься новый кристалл, более однородный, с гораздо лучшими свойствами.
Насколько удались эксперименты? Я спросил об этом Виктора Сергеевича Земскова, заведующего лабораторией Института металлургии АН СССР. Это он и его сотрудники изготовили «начинку» для пеналов. Вот что он ответил:
— Пока еще рано подводить окончательные итоги. Результаты эксперимёнта тщательно изучаются. Но уже ясно, что ожидания оправдались и доказана принципиальная возможность получения в космосе новых материалов.
Ну, а что за экспериментом? Попробуем заглянуть в будущее. Насколько реально бытующее в последнее время на страницах газет выражение «Заводы на орбите»?
Если кто-нибудь представляет себе космические заводы на манер земных, пусть сразу же откажется от такого наивного представления. Домну в космос не выведешь, мартен и конвертор тоже. И не к чему. Все наши металлургические агрегаты могут работать только на Земле, поскольку строились в расчете на... все ту же гравитацию — массивные фундаменты, толстые стены, мощные перекрытия. Да и вся существующая металлургическая технология базируется на земном притяжении. Простейший пример — разливка стали. Жидкий металл льется из печи в ковш, а из ковша в изложницы или в приемное устройство установки непрерывной разливки. И везде льется сверху вниз. Гравитация! А как в космосе разливать сталь, если там нет ни верха, ни низа? И сколько еще таких вопросов!
Ответить на них пока еще никто не может. Но уже и сейчас ясно, что космическая технология будет совсем не такой, как земная. В первую очередь изменятся сами агрегаты. Зачем в невесомости печь с толстыми стенками? На Земле они сдерживают напор жидкого металла, не дают ему вылиться из печи. А в космосе их роль с неменьшим успехом выполнят слабые магнитные поля. Поскольку в космическом пространстве, где нет гравитации, ничто не имеет веса, то даже слабое магнитное поле окажется для жидкого металла прочнее самых толстых стен. Оно легко будет «держать» свободно парящий жидкий металл. Более того: оно будет деформировать его по заданной программе. Значит, не нужны формы-изложницы для застывания слитков, не нужны прокатные станы. Магнитные поля сразу превратят выплавленный металл в готовые изделия. А поскольку дело происходит в вакууме, то этим изделиям обеспечена высокая химическая чистота. Полная гарантия, что никакие посторонние примеси в металл не попадут. Но как расплавить металл в космосе? Ведь уголь здесь гореть не будет. Космические металлурги обойдутся без угля, без нефти, без газа. Металл они смогут расплавлять либо токами высокой частоты, либо лазерным лучом, либо другими способами, о которых мы пока не знаем.
Конечно, такое произойдет не скоро. А что же скоро? На этот вопрос ответил В. С. Земсков.
— Мне думается, на первом этапе в космосе будут делать только окончательное сплавление компонентов, приготовленных на Земле. Естественно, это будут сплавы, которые в условиях гравитации получить невозможно. Например, сплавы некоторых металлов, образующих на Земле несмешивающиеся системы типа «масло — вода». Есть предположение, что такие сплавы должны обладать особыми магнитными свойствами. Мы получим в космосе и композитные материалы, которые позволят создать совершенно новые машины и механизмы. Это же относится и к полупроводниковым кристаллам, выращенным в космосе... Возможно, некоторые из этих работ можно будет начать в скором времени.
Итак, в будущем мы начнем получать металлы из космоса. Но сейчас существует не менее важная проблема — металлы в космосе. Менее двадцати лет назад человек впервые вырвался в космическое пространство. Естественно, и ракета, которая оторвала его от Земли, и капсула, что оградила его от губительного дыхания космоса, были сделаны из сплавов, созданных металлургами. И очевидно, эти сплавы должны обладать какими-то особыми свойствами? На этот вопрос я попросил ответить сотрудника Института металлургии АН СССР, члена-корреспондента Академии наук СССР Евгения Михайловича Савицкого. Вот что он сказал:
— Поднимаясь в космос, мы лишаемся естественного «щита» — атмосферы, ограждающей нас от жестких космических излучений и сверхнизких температур. Эти условия непривычны не только для человека, но и для земных материалов, из которых делаются космические корабли. И очень важно знать, как же с течением времени изменяются в космосе структура и свойства сплавов, чтобы в конце концов обратить эти процессы на пользу человека. Без этого нельзя выходить в дальние космические рейсы. Наш институт ведет исследования влияния космической среды на свойства металлов и полупроводников. Пока еще рано говорить о достижениях в этой области, однако кое-что уже сделано. В частности, сформулирован подход к созданию материалов, способных противостоять отрицательным космическим факторам. Более того — способных под влиянием этих факторов приобретать новые ценные свойства.
Видите сколько проблем? И не только в космосе. А что же предстоит сделать на Земле?
Перед «земной» металлургией проблем гораздо больше. Со многими из них мы уже познакомились. Но самая главная из них... сократить потребление металла.
Это звучит парадоксально: всю свою историю металлургия стремилась дать обществу как можно больше металла, и вдруг — сократить... Но на это есть серьезные причины.
Когда-то Земля казалась людям огромной. Теперь, после того как Юрий Гагарин впервые облетел ее, мы знаем, что это не так: наша планета имеет весьма скромные размеры. И скромные возможности недр. Раньше всех это поняли экономисты. Они давно уже скрупулезно подсчитывают запасы полезных ископаемых, и выводы их тревожны: запасы быстро иссякают. Железа, например, во всем мире осталось всего лишь на сто лет. Меди, свинца, олова — еще меньше. А если так, значит, металл надо беречь, использовать его только на самые ответственные детали, а остальное изготовлять из пластмасс.
Можно привести много примеров возможного применения этого свойства. Остановимся на одном. Представьте себе легковой автомобиль, попавший в аварию. Половина кузова смята в «гармошку». Чтобы выправить его, нужно потратить много труда и времени. Кузов из «запоминающего» сплава выправлять не придется. Его нужно просто нагреть, хотя бы обычной паяльной лампой. И под действием тепла металл тут же «вспомнит» первоначальную форму и примет ее. Через несколько минут после нагрева вы не сможете отыскать места, где были вмятины, если, разумеется, не обращать внимания на сгоревшую краску.
Но это — в будущем. А пока что из нитинола американцы изготовляют антенны сложнейшей формы для искусственных спутников Земли. При взлете они свернуты в тугой комок и занимают мало места. В космосе же, нагретые солнцем, они развертываются и принимают первоначальную форму. Вы можете сами придумать тысячи способов использования металла, обладающего «памятью», и, уверяю вас, не ошибетесь.
А сколько еще новых свойств отыщут ученые у металлов — свойств неожиданных, парадоксальных, которые позволят в будущем построить такие машины, которые сейчас и представить себе невозможно! И ученые уже сегодня ищут эти свойства, вскрывают неисчерпаемость природы.
