Глава 2 Невероятное становится возможным

Представим себе не столь отдаленное будущее. В широком поясе околоземного пространства, на высоте от трехсот до 36 тысяч километров, где синхронно с планетой вращаются стационарные искусственные спутники Земли, начнется развитие промышленности. Работая в безвоздушном пространстве в условиях полной невесомости, космические предприятия смогут производить новые материалы с невиданными свойствами, которые невозможно получить в земных условиях. Энергию им дадут электростанции со сложной системой солнечных батарей. Очень вероятно, что электростанции на орбите, преобразуя солнечную энергию в электрическую в больших количествах, будут передавать ее на Землю. Обслуживать космическую промышленность будут многоразовые транспортные корабли типа "Буран".

Мы смотрим на эти многообещающие планы по-разному: одни из нас оптимистически, другие сдержанно. К оптимистам, как правило, относятся те, кто разрабатывает космическую технику и экспериментальные технологические процессы для их применения в космических условиях. Те же, кто мало осведомлен о стремительном прогрессе космической науки и техники, настроены порой недоверчиво. Для таких людей каждый новый успех в космосе является полной неожиданностью. Так или иначе, но жизнь идет вперед, и космические исследования развиваются, подводя нас вплотную к созданию космической технологии и космической промышленности. Эти выводы нисколько не преувеличены. Они вытекают из многолетних успешных экспериментов, проведенных в ходе множества орбитальных полетов. Такие эксперименты пришлось выполнять и мне с моими товарищами на орбитальных станциях "Салют-4" и "Салют-6". В восьмидесятых годах еще более широким фронтом программа технологических экспериментов выполнялась на советских орбитальных комплексах "Салют-7" и "Мир". Эти эксперименты доказали, что за пределами земного притяжения с физическими телами происходят удивительные вещи: кристаллы растут более равномерно, в некоторых случаях многократно превышая размеры земных экземпляров, а биологические соединения, сложнейшие белки и культуры легче поддаются разделению и сортировке, что дает возможность получить более чистые вакцины и новые фармакологические препараты. Кроме того, в космических условиях можно производить новые типы стекла, разнообразные сплавы и множество других материалов различной плотности, обладающие неведомыми на Земле свойствами. Некоторые ученые считают, что космическая инженерия приведет нас к новым изобретениям, которые могут повлиять и на земную деятельность человека. Можно смело сказать, что рождение космической промышленности и технологии будет естественным продолжением нынешнего этапа развивающейся научно-технической революции и принесет с собой эру новых больших перемен в земном хозяйстве человечества.

Преимущества космического производства легче всего объяснить теми недостатками и препятствиями, с которыми технология сталкивается на Земле. Самое очевидное препятствие - гравитация. Большинство твердых материалов, особенно металлов, в процессе их получения и обработки приходится плавить или размягчать, и уже стенки плавильного котла становятся на Земле причиной изъянов металла. Более того, в расплаве вдоль температурных границ в слоях жидкости возникают конвективные течения, хаотичные и изменчивые, которые приводят порой к неожиданным и нежелательным структурным и композиционным различиям в отвердевшем материале, вплоть до образования размягченных участков - скрытого брака в металлических деталях. Гравитация препятствует также получению высокой однородности расплава, особенно при сложном его составе.

Сила земного притяжения причиняет неприятности в работе с газами и жидкостями. Гравитация препятствует смешению компонентов смесей с различными удельными весами и слоев одного вещества разного температурного нагрева. Конвективные течения распределяют компоненты смеси неравномерно. С исчезновением гравитации в условиях космического пространства вещества ведут себя по-иному. На Земле пузырьки газа, поднимающиеся на поверхность жидкости или расплавленного твердого тела, производят нежелательный структурный и композиционный эффект. Космическая невесомость позволяет получать более чистые и однородные материалы благодаря равномерному распределению в них пузырьков газа. Появляется возможность производить легкий и прочный пузырчатый пенометалл. Стальной брусок, изготовленный в невесомости и наполненный на 88 процентов по объему газом, будет плавать в воде как дерево и сохранит высокую прочность. Еще легче по весу будут пеноматериалы на основе титана, алюминия, бетона, керамики. Эти материалы будут обладать новыми, уникальными свойствами.

Традиционная металлургия, дающая известные всем металлы и сплавы, также получит новое качество. На Земле в бронзовом расплаве медь стремится осесть, тогда как более легкие частицы олова всплывают, что ослабляет поверхность металла. В космосе равномерное смешивание составных элементов обеспечит выработку более крепких, высококачественных сплавов.

Равномерное распределение компонентов в условиях невесомости в жидкостях биологического состава, при отсутствии конвективных течений вдоль температурных границ при нагреве, облегчит синтезирование и выделение таких веществ, как гормоны, противовирусные агенты и вакцины.

Вредное воздействие гравитации удручало не одно поколение производственников со времен отлития первых бронзовых статуй: по этой причине металл никогда не мог достичь той прочности и других качеств, которые от него можно ожидать согласно теоретическим расчетам. Так, например, сталь могла бы быть в десять и более раз прочнее нынешней, однако лопасти винтов, лопатки турбин, металлические трубы, шестерни и прочие весьма ответственные детали выходят из строя скорее, чем им теоретически положено, к тому же они не достигают возможной эффективности.

В условиях космической невесомости большинство этих трудностей в процессах производства материалов устраняется. На борту орбитального аппарата гравитация отсутствует, если, конечно, не включены вспомогательные двигатели коррекции орбиты и космонавты ведут себя смирно, не занимаются физкультурой. В таких случаях возникает микрогравитация в тысячные доли земного тяготения.

Сила притяжения на поверхности Земли делает невозможным образование многих сплавов. В космосе можно получить сотни таких "невозможных" веществ. Многие из них представляют собой комбинацию металлов, которые в земных условиях ведут себя как масло и вода. Зато в невесомости они смешиваются в любых пропорциях и, затвердев, обретают небывалую прочность и неведомые электрические, магнитные и другие физические свойства. При этом удельный вес металлического сплава может быть неожиданно малым. Особый интерес могут представлять сверхпроводящие материалы, способные передавать электроэнергию при низких температурах фактически без потерь.

В условиях невесомости можно получить сплавы, пригодные для изготовления вращающихся деталей и не требующие смазки. Например, медь и свинец, свинец и алюминий в определенных пропорциях. Такие сплавы помогут создать двигатели с многократно увеличенным сроком службы.

Многие из этих материалов можно производить лишь в космосе так называемым бесконтейнерным методом: жидкий металл затвердевает, ни с чем не соприкасаясь, потому что жидкость в невесомости "всплывает" так же, как и любой твердый предмет. В нужном положении жидкость или твердое тело можно удержать, а точнее, "подвесить" без особых усилий в акустическом, магнитном или электростатическом поле. В условиях невесомости силы поверхностного натяжения придают расплавленному материалу форму шара. Незначительное воздействие внешних сил поможет изменить в нужном направлении сферическую форму. На Земле бесконтейнерный процесс далеко не пошел, так как он требует мощной внешней силы для преодоления гравитации, например, мощного электромагнитного поля. В космосе же звуковые волны обычного магнитофона заставят воспарить стальной шарик.

Бесконтейнерный процесс в космической металлургии открывает заманчивые перспективы. Скажем, промышленности нужен чистый и однородный вольфрам. Однако этот чрезвычайно тугоплавкий металл (температура плавки превышает 3400 градусов) в жидком состоянии особенно подвержен загрязнениям, в результате ухудшается его микроструктура. Или взять оптическое стекло, которое потребовалось в больших количествах для производства оптического стекловолокна. Производство световодного кабеля, возникшее в восьмидесятых годах в широких промышленных масштабах, предъявило фантастически высокие требования к чистоте оптического стекла и его физическим параметрам. Стекло космического производства обладает уникальной рефракцией и дисперсией, что делает его незаменимым в оптических системах, лазерной технике. Специалисты утверждают, что такое стекло позволит создать новые оптические приборы, для которых изготовить оптические детали из земного стекла невозможно.

Производство на Земле кристаллов называется выращиванием и считается не столько производством, сколько искусством. Хотя кристаллы и не живые существа, их действительно выращивают подобно растениям. Как растения, кристаллы в процессе роста требуют пищи и тянутся к источнику питания. Специалисты по выращиванию кристаллов скрупулезно определяют величину необходимых примесей, от которых зависят электронные свойства полупроводникового кристалла. Вот тут-то и вмешиваются гравитация с конвекцией, порождая неравномерность химического состава кристалла и тем самым снижая его качество, а то и приводя к порче. Поэтому в земных условиях получить высококачественные кристаллы необычайно трудно и обходится это дорого.

Эксперимент на орбитальной станции "Салют-6", который проводили мы с Владимиром Ремеком (напомню, он носил название "Морава"), был технологическим опытом по получению полупроводниковых металлических материалов и стекол посредством объемной и направленной кристаллизации. Наш эксперимент был лишь одним из многих технологических процессов, осуществленных в условиях невесомости многими советскими космонавтами с участием космонавтов-исследователей других стран. Плавка в космосе, получение опытных образцов сплавов и кристаллов, композитных материалов стали обычным штатным экспериментом в программе космических полетов. Результаты красноречиво свидетельствуют, что у космической промышленности, в частности у космического производства кристаллов, - самые широкие перспективы.

Выращенные на советских космических станциях кристаллы по всем параметрам превосходят земные образцы. А главное - электрические свойства кристаллов, его проводимость постоянны по всей его длине. В подобных же кристаллах, выращенных на Земле, эти свойства меняются от одного конца к другому. Не за горами время, когда в космических лабораториях будут изготовлены первые промышленные партии кристаллов высочайшего качества для их использования в производстве лазеров, микроволновых устройств, диодов, излучающих свет, и других технических устройств. Специалисты считают, что космические кристаллы позволят получать большими сериями совершенные полупроводниковые интегральные микросхемы. Возможно даже, что высокое качество кристаллов откроет новые области их применения, и тогда они станут буквально бесценными.

Весьма заманчивые перспективы сулит налаживание производства в космосе самых необычных кристаллов - так называемых "усов" (игольчатых кристаллов). Совершенство структуры и поверхности кристаллов способствует повышению их прочности. В поликристаллических материалах, каковыми являются обычные металлы, границы между кристалликами - самое уязвимое место, здесь образуются микротрещины. Внутри кристалла по всему объему сохраняется непрерывная кристаллическая решетка, поэтому его прочность близка к теоретической, зависящей от силы сцепления атомов. Прочность полученных нитевидных кристаллов примерно в десять раз выше, чем у высококачественной стали и других лучших конструкционных материалов. Найдены удачные рецепты композиционных материалов, в которых для упрочнения используются борные, графитовые, угольные, сапфировые волокна, "усы" из карбида кремния. Но в земных условиях не удается вырастить длинные нити, под действием тяжести они ломаются, самые длинные достигают всего лишь нескольких миллиметров.

В космосе есть возможность для получения кристаллических нитей значительной длины. Монокристаллы индия, доставленные на Землю американскими астронавтами, оказались изогнутыми в верхней части: по длине кристаллы превзошли ожидаемое и изогнулись, упершись в торец ампулы.

Есть еще немало примеров того, что может дать космическая промышленность в области создания новых материалов. Но насколько реальны все эти ожидания технологов? Ведь даже отдельные имеющиеся удачи и полученные образцы новых материалов обходятся слишком дорого. Спору нет, космические сплавы и кристаллы, а некоторые из них уже используются в действующих опытных установках и приборах, стоят пока недёшево. Специалисты считают, что уже на современном уровне развития космонавтики пора осваивать на орбите производство отдельных уникальных материалов и изделий. Предполагается, что через несколько лет при достаточно массовом производстве оно станет рентабельным. Так и на Земле: опытные экземпляры цветных телевизоров, видеомагнитофонов, персональных компьютеров стоят очень дорого, но когда их начинают производить миллионами, то они становятся доступными для потребителя и выгодными для производства.

Я уже рассказывал о том, как в первом полете с Георгием Михайловичем Гречко мы провели уникальную в го время операцию по восстановлению зеркала орбитального солнечного телескопа на борту "Салюта-4". В нашем распоряжении было не слишком сложное устройство: помещенный перед зеркалом алюминиевый шарик был расплавлен с помощью вольфрамовой нити, через которую мы пропустили ток. Тем не менее все получилось как нельзя лучше: зеркало телескопа было покрыто новой тончайшей пленкой отражающего слоя.

Простота операции натолкнула технологов на новые эксперименты. Если в космическом вакууме так несложно получить пленочное покрытие, то нельзя ли попробовать вместо металла применить полимеры, оксиды кремния? Так начались и продолжаются до сих пор все усложняющиеся эксперименты по разработке пленочной технологии для промышленного изготовления на орбите полупроводников и интегральных микросхем.

Космос порой обеспечивает выигрыш в самых неожиданных ситуациях. Американские астронавты получили интересный продукт - крошечные шарики из весьма обычной пластмассы - полистирольного латекса. Шарики диаметром менее двух микрон и более сорока микрон можно сделать на Земле, а вот шарики промежуточных размеров получаются не стабильно и по сложным техническим причинам не поддаются массовому производству. А научные лаборатории крайне нуждаются в шариках таких средних диаметров. Если, например, откалиброванные шарики разных диаметров ввести в бактериальную культуру перед ее анализом под электронным микроскопом, то с их помощью ученые смогли бы произвести точные измерения многих объектов - от вирусов до отверстий в диафрагмах. Крошечные шарики можно также использовать для градуировки самого электронного микроскопа и других приборов.

Дальнейший прогресс биологии и медицины также во многом зависит от космических исследований. Невесомость поможет ученым разделять определенные типы клеток, клеточные компоненты и продукты, а также протеины. В космосе можно получить вакцины недостижимой на Земле чистоты. В условиях гравитации многие биологические вещества невозможно ни синтезировать, ни разделить по причине все тех же конвективных течений, создающих неравномерные и непрогнозируемые по составу композиции. Некоторые такие комплексы биологических продуктов вырабатывает человеческий организм. Например, урокиназа, которая способствует активизации ферментов, рассасывающих сгустки крови. Это ценное химическое вещество вырабатывают только пять процентов печеночных клеток. Уже более десятилетия в космических лабораториях делаются довольно успешные попытки разделить эти клетки, чтобы затем культивировать их на Земле. В космосе можно получить в чистом виде гормоны и другие вырабатываемые организмом биологические вещества, антивирусные и болеутоляющие, иммунизирующие и стимулирующие образование эритроцитов в костном мозге. Ученые надеются создать в космосе новые препараты, которые помогут им в борьбе с болезнями.

Многие производственные операции в космосе будут выполнять автоматы - без непосредственного участия человека. Космонавт не должен заниматься рутинными функциями, он будет выявлять и устранять неисправности, осуществлять монтажные работы в открытом пространстве, выполнять роль исследователя. На ряде космических производств необходимо будет соблюдать "гравитационную тишину", то есть сохранять постоянство микрогравитации, так что постоянное присутствие человека там нежелательно. Это будут полностью автоматизированные космические производственные комплексы.

Само собой разумеется, в распоряжении людей, работающих на орбите, будут не только пассивные приборы и инструменты. На орбите будут работать разнообразные роботы, которые на Земле уже проникли во многие отрасли. Сложнейшие автоматические аппараты, выполняющие целые исследовательские программы на поверхностях Луны и планет и на обширных просторах Солнечной системы, - тоже роботы. В скором будущем появится множество механических помощников человека, которые заменят его при осуществлении индустриальных процессов в космосе и контрольно-измерительных операций. Они будут трудиться там, где присутствие человека нежелательно или невозможно.

В первую очередь роботы понадобятся в металлургическом производстве, работе с нагревательными печами и сварочными агрегатами, в литье и термообработке, изготовлении кристаллов и пленок, при варке оптического стекла и в других сложных технологических процессах. Они будут обладать развитыми "органами чувств" - тактильными, локационными, оптическими, телевизионными датчиками, электронным мозгом. Механическими руками-манипуляторами они приведут в действие любые инструменты - от пинцета до сварочного аппарата, они будут реагировать на прикосновение, движение любого предмета, на внешнюю обстановку, на цвет и свет, звук, температуру.

В космосе будут работать специализированные роботы. Содружество человека и кибернетических устройств значительно повысит эффективность использования крупных космических лабораторий. Автоматические помощники человека будут использоваться не только в замкнутых отсеках корабля, орбитальной станции или космического производственного комплекса, но и смогут выходить в открытый космос, чтобы проводить там необходимые технологические операции в условиях, которые нельзя создать искусственно.

Понятно желание уже сегодня получить от вкладываемых в космические эксперименты конкретную и весомую отдачу. Но нужно проделать еще много кропотливой и долгой работы, нужно продолжать широкий поиск. Результаты космических экспериментов не только обнадеживают и вдохновляют, но и частенько обескураживают. Путь в неизвестное труден и полон всяких неожиданностей, рассчитывать лишь на удачу не приходится. Тем не менее с каждым годом накапливается опыт, открываются новые пути к космической технологии. Напомню слова академика Б. Е. Патона: "Когда-нибудь заработают заводы в космосе, где существуют постоянно такие "производственные условия", каких на Земле либо вообще нельзя достичь (длительная невесомость), либо они неоправданно дороги (глубокий и чистый вакуум, резкие перепады температур, радиация). Не исключено, что эксперименты на орбитальных станциях по изысканию новых материалов и конструктивных элементов помогут обнаружить и неожиданные эффекты, которые расширят наши представления в металлургии, физике и принесут неоценимую пользу повседневной практике на Земле".