сносной легкость микрогравитации

Инженеры проводить текущую миссию - найти новые способы обработки

Представьте себе, лаборатории, где частицы не оседают из раствора. Если пузырей в кипящей жидкости не возникают. Это микрогравитации - окружающей среды, что открывает большие перспективы для изучения природных явлений и найти решения извечных проблем переработки. После освобождения от 9,8 м / сек ^ 2 ^ SUP ускорение, что большинство из нас воспринимают как должное, инженеры имеют возможность обучаться поведения материалов и переработка под выявления условий. Затем они могут использовать эти знания для улучшения свойств материала и найти новых приложений. "В принципе, мы пытаемся выяснить, как сделать более индивидуальный материалы здесь, на земле", объясняет Альберто Сакко-младший, профессор химической инженерии и директор Центра Advanced Materials микрогравитации обработки, при поддержке НАСА торговые площади Центр (CSC) Северо-Восточного университета (Бостон, Массачусетс).

R

Одним из наиболее перспективных направлений работы микрогравитации кристаллизации. Потому что кристаллы могут расти свободной конвекции, исследователи могут производить кристаллы имеют меньше дефектов, чем Земля взрослых коллег. More-совершенных кристаллов, в свою очередь, легче изучать с помощью рентгеновских лучей для их структуры и связанных с ними свойствах - что приведет к улучшению способ кристаллы используются в существующих процессов, или найти новые приложения в целом.

Сакко, например, изучает возможности использования сотового типа структуры цеолитов для хранения водородного топлива. Его группа также помогает компании Дюпон и United Technologies улучшить цеолита продуктов переработки углеводородного и окружающей среды.

Исследователи также лучше изучить дефекты кристалла чтобы узнать, как они относятся к свойствам материала. Контроль за дефектов в сегнетоэлектриках, например, могут помочь ученым контролировать напряжение связано узором. На самолета крылья, материалы могут обеспечить поверхности, что чувствовал аэродинамических напряжения, и самостоятельно исправить без экспериментального вмешательства. "Там огромный потенциал применения за все это", говорит Сакко ", но это огромная техническая задача".

Новых условиях микрогравитации, которые могут помочь преодолеть некоторые краткосрочные препятствий является создание Международной космической станции (МКС). Сакко группы назначено нести его цеолита ростовой печи на станцию в ноябре, где она будет расти галогенидов серебра и сегнетоэлектриков, а также цеолиты. Большая часть дизайна этого эксперимента опирается на предыдущую пространства Сакко в экспериментах Трансфер с цеолитами.

Из-за расходов и дефицита космического полета, есть длинный список очередников на последующих экспериментов. Ожидая, исследователи часто выполняют обширную наземных исследований. "Некоторые интересные события произошли как раз, думая о том, что гравитация, и применяя соответствующие теории", говорит Билл Уилкокс, профессор химической инженерии в Clarkson University (Потсдам, штат Нью-Йорк) и заместитель директора Международного центра Clarkson Материалов тяжести науки и Приложения.

Serendipity в ампуле

Потому что конвекция в значительной степени посредством микрогравитации, атомы достигают поверхности кристалла в первую очередь формирования за счет диффузии. В кристаллизации полупроводников на Земле, конвекция может стать причиной нерегулярных и замораживания ставка меняться. Оба конвекции и скорости замораживания различных привести к изменению концентрации примесей используется для управления электронными свойствами материалов. В результате, трудно обеспечить, чтобы примесей надлежащим помещены в коммерчески кристаллов.

По этой причине, цинка, легированных кристаллов теллурида кадмия, используемых в инфракрасных приборов ночного видения часто приходится "заминировали" из поликристаллических слитков, говорит Уилкокс. И эти маленькие кристаллы ограничить размер конечного производства устройств. Гравитация делает, казалось бы, невозможно производить коммерчески больших монокристаллов этого материала. Во-первых, контейнеров, в которых многие кристаллы растут причиной образования структурных дефектов, таких как дислокации, а также нежелательной новых кристаллов ("зерна" или "близнецы"). Микрогравитации сыграли большую роль в выяснении причины этой проблемы и возможные ее решения.

Уилкокс получил ценную информацию зерна образования на 1974 миссии "Скайлэб". Его образец представляет собой смесь антимонида индия и галлия антимонида, который был расплавлен и позволило постепенно заморозить внутри ампулы. На Земле, кристаллы имеют такую же форму, диаметр и гладкую поверхность, как ампулы они выросли дюйма Но кристалл "Скайлэб" была меньше в диаметре, чем ее ампулы, и имел волнистую поверхность. И он создал никаких новых близнецов.

Почему кристалл "Скайлэб" вырос, как он оставался загадкой до 1995 года, когда Уилкокс и Clarkson коллега Лия Регель разработал объяснение. На Земле, как кристалл растет из его расплава, она постоянно касаясь стороны ампулы. Но в условиях микрогравитации, хотя жидкости оставались в контакте с стенках ампулы с мениском, кристалл вырос от стен. Потому что это было не касаясь стены, говорит Уилкокс, кристалл не испытывали стресс от дифференциального термического сжатия. Следовательно, формирование зерна практически исчезли.

Кто нуждается в контейнер, в любом случае?

Есть и другие случаи, в которых материалы воспользоваться не касаясь стенок контейнера. Контейнеры, которые разъедают от их содержания, или загрязнение материалов. Кроме того, загрязняющих веществ, или сам контейнер, может действовать как мест зарождения.

В университете штата Висконсин в Мэдисоне, материалы науки и техники профессор Джон Perepezko изучает формирование металл-матричных композитов использованием переохлажденных расплавов и containerless методы в 3-м падение трубки. Объект для равномерного распределения частиц в укреплении металлической матрицы. Смесь охлаждается значительно ниже точки плавления, а затем позволили укрепить. Чем больше переохлаждение, тем быстрее происходит кристаллизация. Таким образом, частицы имеют меньше времени, чтобы передвигаться из-за конвекции и расселения.

Perepezko обнаружили, что когда он переохлажденного никеля матрица, содержащая пятиокиси тантала частиц почти 200 ° С ниже точки плавления частиц были включены однородно, но при переохлаждении лишь 37 ° С, частицы были в основном толкнул в сторону образца. "Это похоже на так, чтобы получить толкнул пород на поверхность, когда почва замерзает и оттаивает", объясняет Perepezko.

В настоящее время Perepezko использует частицы примерно такой же плотности, как матрица, так как тяжелые или легкие частицы утонет или плавать. Но в пространстве, более длительных периодов невесомости может позволить подобные эксперименты, чтобы включить частиц с различной плотностью. Совершенствуя наше понимание жидких взаимодействий, по его словам, такие эксперименты могут способствовать не только улучшению композитов, а также "пищевых продуктов, биологических проблем - в основном, в любом месте жидкости взаимодействуют с частицами".

Дерево растет в космосе

Проще говоря, переохлаждение является способом "ловушки" молекулы не дожив до своего позициях - их точки наименьшей энергией. Быстрое замораживание в сочетании с тщательно управляемое, например, может производить изысканные "дендритные" или даже одноосной микроструктуры, которые может принести улучшенные механические свойства сплавов.

Когда чистая жидкость замерзает медленно, он плоский, ровный интерфейс. Замороженные быстрее он развивается сотовая форме. И затвердевшего еще быстрее, она развивается сосна типа дендритов. Частично затвердевшей регионе путешествия далеко впереди полностью замерзла, создавая "мягкий" зоны, то есть тонкой смеси жидких и твердых.

Хотя многие теории были предложены для десятилетия для описания роста дендритов, было микрогравитации, что позволило исследователям на самом деле, как это произошло. Исследователи из политехнического института Rensselaer (RPI; Трой, штат Нью-Йорк) исследовали дендритные образования во время полета Шаттла (1994, 1996 и 1997) в изотермическом роста дендритов эксперимент (IDGE). Они по-прежнему изучать IDGE данных в проекте под названием Ренсселаер IDLE (хребет). В соответствии с ИРЦ материалов науки и техники профессор Мартин Гликсман, IDGE succinonitrile использоваться на первых двух рейсов, а pivalic кислоты на третьей - материалы, которые обладают двумя наиболее - общий образования кристаллов в металлах, и дают очень разную форму дендритов.

В IDGE, небольшое количество расплава, что оказался в шприце типа "Стингер", который был переохлажденного, начала кристаллизации. Застывающих фронт постепенно съехал на кончике жало, возникающие из отверстия, как один или несколько отдельных дендритов. 35-мм камер, а также видео - камера на третьей миссии, зарегистрированные процесса.

Высоким временным разрешением видео-данных, говорит Гликсман, позволяет исследователям изучать с временным разрешением дендритных структурообразования при плавлении и кристаллизации, происходящие в свободной конвекции-диффузии. Кроме того, группа продолжает изучать видео данных для анализа автоколебаний как дендритов расти - для выявления какой-либо "собственные частоты", возможно, связано с появлением периодического дендритов побочных ветвей. Большинство теорий роста дендритов взяли на себя стационарное состояние, так что эти результаты могут существенно повлиять на толкование существующих моделей.

Точность IDGE данные также способствовали критическую оценку возникающих технику, называемую "фазу поля" моделирования, в которой жидкость / твердое тело не считается четкие, резкие границы, но, скорее, непрерывный градации. IDGE также данные, чтобы обнадеживающими степени подтвердили надежность "законы масштабирования", или предложенные математические отношения между ростом скорости и геометрии дендритов, говорит Гликсман. Последствия? "Это позволяет инженерам делать прогнозы не на миллиметр или сантиметр масштаба, что они были ограничены, но и вниз, к микрон масштаба", объясняет он. Он добавляет, что более глубокое понимание этих микроструктур это приведет к улучшению свойств металлов, а также улучшение литья и сварки.

Вместе с бывшим коллегой Мэттью Koss на Колледжа Святого Креста (Вустер, Массачусетс), Гликсман планирует последующей эксперимента для МКС, которые добавят изменения давления в уравнения. "Принимая во внимание изменения температуры должны происходить медленно - в течение минуты - давления могут быть применены или попасть в доли секунды", указывает Гликсман.

Следующая самая лучшая вещь, чтобы быть там ...

Новый эксперимент дендритов, вероятно, также включают дистанционное операции ("teleoperation") возможности аналогичных тем, которые используются для IDGE. Потоки данных изображений, при температурах и давлениях, необходимых для характеристики роста дендритов были отправлены из Доставка через Marsall НАСА из Центра космических полетов на кампусе ИРЦ. Это позволило исследователям для анализа и оценки данных в реальном времени, а также изменять некоторые параметры, такие как скорость, с которой дендритов, были сфотографированы.

"Telescience", указывает Гликсман, становится все более важным для исследования в условиях микрогравитации. МКС, во-первых, будут жить только три постоянных космонавтов, которые по большинству оценок, будет меньше, чем за час в день, чтобы управлять множеством научных экспериментов.

Робототехника, так же, проводит большие возможности для работы условиях микрогравитации. X-лучей кристаллизации фонда (XCF) представляет собой автоматизированную систему, которая будет пристально отслеживать и управлять выращивания кристаллов из биологических материалов, таких как белки, нуклеиновые кислоты, и лекарственно-рецепторных комплексов.

МКС эксперименты, как правило, на протяжении трех месяцев, обусловленный график полета Шаттла - слишком долго для многих кандидатов белка, говорит Ларри DeLucas, директор Центра биофизической науке и технике в Университете штата Алабама в Бирмингеме. "Кристаллы могут быть полностью вырос примерно в пять или шесть недель, и им придется сидеть еще пять-шесть недель," говорит он. "Но со временем, белок будет eventully начала унижающего - и так будет кристаллов".

Таким образом, робот XCF будет захватить кристалл не касаясь его, криогенным замораживанием и принять рентгеновского снимка ли она была заморожена в правильных условиях. Проблема, говорит DeLucas, является то, что жидким азотом, необходимые для замораживания кристаллы должны содержать определенный процент криопротекторов (например, глицерин) определяется не только размером кристалла, но тип белка.

Таким образом, если робот проверил рентгеновской, что кристалл был заморожен должным образом с экспериментально определить криопротекторов смесь, она будет удалять другие кристаллы одного и того же размера, и заморозить их. Когда замороженных кристаллов представлена на Землю обратным рейсом челнока, исследователи будут анализировать их на синхротроне. Подводная космические системы, которые помогли команде DeLucas разрабатывают XCF, адаптировалась и коммерциализации роботизированной системы кристально подготовки к наземной обработке белка, добавляет DeLucas.

Кристально чистый результаты

Хотя XCF не запланирован полет к МКС до октября, DeLucas настоящее время выращивания кристаллов, на вокзале, в эксперименте запущен в апреле этого года. Коммерческая роста кристаллов белка-высокой плотности имеет единицу 168 "6-пакеты" в общей сложности 1008 камер, в которых кристаллы выращивают диффузии водяного пара.

Для этих материалов, микрогравитации важную роль в предотвращении роста кристаллов оседать на дно. На Земле, это то, что как правило, происходит, в результате агломерации кристаллов, которые иногда с трудом поддаются анализу. Структура микрогравитации производства кристаллов макромолекулы могут помочь ученым понять, как определенные патогенные работы, например, или сформулировать лекарств, которые помещаются в определенные структуры белка, объясняет консорциума по развитию материалов в космосе "(CMDS) Гатингс директор Билл. Поскольку космический полет вызывает остеопороз в космонавты, группа Гатингс является кристаллизации костной связанных протеинов, называемых osteopontins на МКС.

Хотя исследователи не могу обещать, что всегда получите лучшие результаты в космосе, они иногда выращивания кристаллов, которые намного превосходят все производится на Земле. Чтобы оценить эффективность антибиотика широкого спектра действия, например, команда использовала DeLucas Доставка кристаллизоваться целевого препарата, NAD синтетаза, белка во всех бактерий. Лучшее разрешение, что кристаллографов может добиться, используя Земли выращенных кристаллов 1,4 А. микрогравитации выращенных кристаллов, с другой стороны, дало разрешение 0,9 А. "Во всей истории кристаллографии, там были только несколько белков , который сделал такой резолюции ", говорит DeLucas.

"С 0,9 данные, вы могли видеть позицию каждой из атомов водорода в молекуле", объясняет он. Видя, что, фактически находящихся в активном центре белка, объясняет он, помогли усилия ученых для разработки более совершенных соединений показаны увеличить специфичность. В настоящее время препарат животных испытаний.

Всеобщая гандикапа

Хотя эти результаты являются впечатляющими, DeLucas предостерегает от мышления о пространстве как "волшебное место", где все эксперименты оказываются совершенно. Он отмечает, что положительные открытий в космосе произошло, несмотря на ограничения, налагаемые на исследователей. "Мы должны были расти кристалл с 1 серии белка в течение нескольких камер, с мало энергии и не рентген," говорит он. Кроме того, не было способом сохранить кристаллов Трансфер, и многие были повреждены на ускорение спускаемого аппарата.

И ученые на самом деле было очень мало времени микрогравитации лаборатории. DeLucas, который проводим эксперименты на 41 челночных рейсов с 1985 года, указывает на то, что средняя продолжительность полета составляет всего лишь 9 дней. Кроме того, "пространстве как правило, является middeck шкафчик размером примерно 2 lunchboxes", отмечает он. Сакко добавляет: "В истории космическую программу, мы только сделали около 600 часов материалов научных экспериментов".

Давление "сделать все правильно с первого раза" также сильно затрудняет научное открытие. Не только ученые не в состоянии постоянно работают над проблемой, но их космических экспериментов по определению ориентирована на стараясь, чтобы подтвердить предположения. Вот почему МКС проводит подобные обещания. "Это самый сложный лабораторный в истории человечества", говорит Сакко, "и это позволит нам научиться по ходу дела, которые мы не могли раньше".

К сожалению, многие исследователи не могут добраться до использования этой лаборатории. Потому что станции стоят столько, чтобы строить, НАСА ищет пути сокращения общего бюджета на МКС. "В целях максимального научно-исследовательский потенциал с ограниченными ресурсами, мы можем реструктуризации проекта МКС в увязке с возможностями доступных ресурсов", говорит пресс-секретарь НАСА, добавив, что бюджет не будут приняты решения до конца июня. Но исследователи настроены более скептически. "Сокращение бюджетных ассигнований не являются окончательными, но даже если они немного лучше, они все еще будут разрушительными", говорит DeLucas. "НАСА должны найти способ, чтобы исправить бюджет, но не на спине науки", соглашается Гликсман.

- Ирина Ким