Paladiul este considerat cel mai promițător metal din grupul platinei - este cel mai ușor de extras și relativ ieftin și, datorită asemănării caracteristicilor, le este ușor să înlocuiască platina în sine. Cea mai mare parte a paladiului extras merge către industriile electrice, chimice și bijuterii. Recent, experții au observat o lipsă de paladiu pe piață și o scădere a stocurilor acestui metal, acesta câștigă valoare investițională, în ciuda faptului că încă nu este prevăzută o creștere bruscă a prețurilor paladiului.
Paladiul a fost descoperit de chimistul și afinerul englez William Wollaston, care a dizolvat minereul în acva regia și apoi a precipitat platina eliberată cu clorură de amoniu. Prin experimente, a ajuns la concluzia că a adăugat cianură de mercur în soluție și a obținut cianura de paladiu, din care, la încălzire, se obținea paladiu pur. Wollaston și-a încadrat descoperirea cu ficțiune - a trimis în mod anonim un baton de paladiu unuia dintre comercianții londonezi, pictându-i asemănarea cu platina. Comerciantul a scos lingoul la vânzare, ceea ce a atras foarte multă atenția oamenilor de afaceri și a oamenilor de știință. Au fost multe controverse în jurul noului metal - a fost examinat și analizat, a fost certat și acuzat că este un fals. După ceva timp în cel mai mare jurnal stiintific a apărut un anunț că cel care dă acest lucru ar plăti 20 de lire sterline celui care a creat același metal într-un an. Nicio încercare nu a avut succes, iar în 1804 Wollaston a raportat Societății Regale că toate acestea au fost opera lui. Pe lângă paladiu, a descoperit și rodiul, dar nu a fost atât de eficient. Noul metal și-a primit numele în onoarea asteroidului Pallas, descoperit cu un an înainte de inventarea metalului. În istorie, statuia sacră a zeiței grecești antice Athena Pallas a fost numită paladiu sau paladiu. Acum, în lumea științifică există o distincție - „medalia Wollaston”, care este bătută din paladiu pur.
În acele vremuri, platina era singurul mineral cunoscut care conținea paladiu, dar acum există aproximativ 30. Se găsește foarte rar sub formă de pepite, mai des în compoziția mineralelor alături de platină, plumb, staniu, sulf, telur și altele. Există, de asemenea, compuși rari - paladiu platină (40%) și aur paladiu (aproximativ 10%). Paladiul se găsește nu numai în intestinele pământului, nu fără motiv este numit metal spațial - se găsește în compoziția meteoriților de fier și piatră.
Principalii furnizori de paladiu pe piața mondială sunt Rusia, Africa de Sud și Canada, iar principalii consumatori sunt țările europene, Japonia și SUA. Cele mai bogate zăcăminte interne sunt situate în Urali și în Arctica. Am început să primim paladiu industrial abia în 1922, Rafinăria de Stat a fost angajată în acest sens.
Paladiul este cel mai ușor și mai fuzibil dintre toți platinoizii. Se preteaza bine la orice tip de prelucrare - forjare, trefilare, sudura, laminare. Este inert, rezistent la medii agresive si in acelasi timp are proprietati catalitice excelente si este capabil sa absoarba hidrogen in cantitati mari (pana la 950 de volume). Datorită acestei calități, este indispensabil în producția de convertoare catalitice pentru mașini. Catalizatorii de paladiu sunt utilizați și în rafinarea petrolului și pentru producerea combustibilului pentru rachete, iar contactele de paladiu nu permit scântei, prin urmare sunt utilizați activ în inginerie electrică, chiar și la fel de complexă ca cea militară sau aerospațială. Rezistența chimică face paladiul indispensabil pentru producția de echipamente chimice și medicale.
În industria de bijuterii, paladiul este folosit pentru a produce aur alb - ține bine lustruitul și nu se pătează mult timp. Din el sunt făcute bijuterii și carcase pentru ceasuri scumpe. Pentru această aplicație se utilizează atât paladiu pur, cât și aliaje precum argintul, cuprul și nichelul. Cel mai înalt grad de bijuterii de paladiu este locul 950.
Industria auto preia cea mai mare parte a paladiului extras, aproximativ 15% merge către industria electronică, 10% către bijutieri, restul către industria chimică și medicină. Majoritatea paladiului secundar este returnat și din industria auto - datorită livrării și procesării convertoarelor auto. Puteți vinde catalizatorul auto al companiei noastre și îl vom trimite pentru a fi reciclat, astfel încât paladiul pe care îl conține să poată fi adus înapoi pe piața metalelor prețioase.
Andrei Suvorov
aprilie 2007
Ce materiale sunt folosite pentru a construi nave spațiale care navighează în vastele întinderi ale universului.
Într-o lună se va împlini exact jumătate de secol de la prima lansare a rachetei R-7, care a avut loc pe 15 mai 1957. Această rachetă, care este încă purtată de toți astronauții noștri, este un triumf necondiționat al ideii de design asupra materialului structural. Interesant este că la exact 30 de ani de la lansare, pe 15 mai 1987, a avut loc prima lansare a rachetei Energia care, dimpotrivă, folosea o mulțime de materiale exotice care erau inaccesibile acum 30 de ani.
Când Stalin i-a dat lui Korolev sarcina de a copia V-2, multe dintre materialele sale erau noi pentru industria sovietică de atunci, dar până în 1955 problemele care puteau împiedica proiectanții să implementeze ideile dispăruseră deja. În plus, materialele folosite pentru a crea racheta R-7 nu erau noi nici măcar în 1955 - la urma urmei, a fost necesar să se ia în considerare timpul și banii cheltuiți în producția de masă a rachetei. Prin urmare, aliajele de aluminiu de lungă durată au devenit baza designului său.
Anterior, era la modă să se numească aluminiu „metal înaripat”, subliniind că dacă structura nu călătorește pe sol sau pe șine, ci zboară, atunci trebuie să fie din aluminiu. De fapt, există multe metale înaripate, iar această definiție a demodat de mult. Nu există nicio îndoială că aluminiul este bun, destul de ieftin, aliajele sale sunt relativ puternice, este ușor de prelucrat etc. Dar nu poți construi un avion numai din aluminiu. Și într-un avion cu piston, lemnul s-a dovedit a fi destul de potrivit (chiar și în racheta R-7 există partiții din placaj în compartimentul instrumentelor!). După ce a moștenit aluminiul din aviație, tehnologia rachetelor a început să folosească și acest metal. Dar chiar atunci, îngustimea capacităților sale a fost dezvăluită.
Aluminiu
„Metal cu aripi”, un favorit al designerilor de avioane. Aluminiul pur este de trei ori mai ușor decât oțelul, foarte ductil, dar nu foarte puternic.
Pentru a face din el un material structural bun, aliajele trebuie făcute din el. Din punct de vedere istoric, primul a fost duraluminiu (duralumin, duraluminiu, așa cum îl numim cel mai adesea) - acest nume a fost dat aliajului de o companie germană care l-a propus pentru prima dată în 1909 (de la numele orașului Düren). Acest aliaj, pe lângă aluminiu, conține cantități mici de cupru și mangan, care îi cresc dramatic rezistența și rigiditatea. Dar duraluminiul are și dezavantaje: nu poate fi sudat și este dificil de ștanțat (este nevoie de tratament termic). Acesta capătă rezistență deplină în timp, acest proces se numește „îmbătrânire”, iar după tratamentul termic, aliajul trebuie să fie din nou îmbătrânit. Prin urmare, piesele din acesta sunt conectate cu nituri și șuruburi.
Într-o rachetă, este potrivită numai pentru compartimentele „uscate” - construcția cu nituri nu garantează etanșeitatea sub presiune. Aliajele care conțin magneziu (de obicei nu mai mult de 6%) pot fi deformate și sudate. Aceștia sunt cel mai mult pe racheta R-7 (în special, toate tancurile sunt făcute din ele).
Inginerii americani au avut la dispoziție aliaje de aluminiu mai puternice care conțineau până la o duzină de componente diferite. Dar, în primul rând, aliajele noastre au fost inferioare aliajelor de peste mări în ceea ce privește răspândirea proprietăților. Este clar că diferitele probe pot diferi ușor în compoziție, iar acest lucru duce la o diferență în proprietățile mecanice. În proiectare, de multe ori trebuie să ne bazăm nu pe rezistența medie, ci pe cea minimă sau garantată, care pentru aliajele noastre ar putea fi vizibil mai mică decât media.
În ultimul sfert al secolului al XX-lea, progresul în metalurgie a dus la apariția aliajelor de aluminiu-litiu. În timp ce înainte de aceasta, adăugările la aluminiu vizau doar creșterea rezistenței, litiul a făcut posibil ca aliajul să fie vizibil mai ușor. Rezervorul de hidrogen pentru racheta Energia a fost realizat din aliaj de aluminiu-litiu, iar rezervoarele Shuttle-ului sunt acum făcute din acesta.
În cele din urmă, cel mai exotic material pe bază de aluminiu este compozitul bor-aluminiu, unde aluminiul joacă același rol ca epoxidul din fibra de sticlă: ține împreună fibrele de bor de înaltă rezistență. Acest material tocmai a început să fie introdus în cosmonautica internă - din el a fost realizată o ferme între rezervoarele celei mai recente modificări a etapei superioare DM-SL implicate în proiectul Sea Launch.
Alegerea designerului în ultimii 50 de ani a devenit mult mai bogată. Cu toate acestea, atât atunci, cât și acum, aluminiul este metalul numărul 1 într-o rachetă. Dar, desigur, există o serie de alte metale fără de care o rachetă nu poate zbura.
Fier
Un element indispensabil al oricărei structuri de inginerie. Fierul, sub forma unei varietăți de oțeluri inoxidabile de înaltă rezistență, este al doilea cel mai folosit metal în rachete.
Oriunde sarcina nu este distribuită pe o structură mare, ci concentrată într-un punct sau mai multe puncte, oțelul depășește aluminiul.
Oțelul este mai rigid - o structură din oțel, ale cărei dimensiuni nu ar trebui să „plutească” sub sarcină, este aproape întotdeauna mai compactă și uneori chiar mai ușoară decât aluminiul. Oțelul tolerează mult mai bine vibrațiile, este mai tolerant la căldură, oțelul este mai ieftin, cu excepția celor mai exotice soiuri, oțelul, la urma urmei, este necesar pentru instalația de lansare, fără de care racheta - ei bine, înțelegeți ...
Dar tancurile rachete pot fi și din oțel. Minunat? Da. Cu toate acestea, prima rachetă intercontinentală Atlas americană a folosit tancuri din oțel inoxidabil cu pereți subțiri. Pentru ca o rachetă din oțel să cucerească una din aluminiu, multe au trebuit schimbate radical. Pereții rezervoarelor din apropierea compartimentului motor aveau până la 1,27 milimetri (1/20 inch), deasupra au fost utilizate foi mai subțiri, iar în partea de sus a rezervorului de kerosen grosimea a fost de numai 0,254 milimetri (0,01 inch). Iar treapta superioară cu hidrogen Centaur, realizată după același principiu, are un perete subțire ca o lamă de ras - 0,127 milimetri!
Un astfel de perete subțire se va prăbuși chiar și sub propria greutate, astfel încât își păstrează forma numai datorită presiunii interne: din momentul fabricării, rezervoarele sunt sigilate, presurizate și depozitate sub presiune internă crescută.
În timpul procesului de fabricație, pereții sunt susținuți de suporturi speciale din interior. Cea mai dificilă etapă a acestui proces este sudarea fundului pe partea cilindrică. A fost necesar să o completezi într-o singură trecere, drept urmare, mai multe echipe de sudori, câte două perechi, au făcut-o în decurs de șaisprezece ore; brigăzile se înlocuiau la fiecare patru ore. În acest caz, una dintre cele două perechi a lucrat în interiorul rezervorului.
Nu este o treabă ușoară, cel puțin. Dar, pe de altă parte, americanul John Glenn a intrat pentru prima dată pe orbită pe această rachetă. Da, și atunci ea a fost glorioasă și Poveste lunga, iar unitatea Centaur zboară până astăzi. V-2, apropo, avea și o carcasă de oțel - oțelul a fost complet abandonat doar pe racheta R-5, unde carcasa de oțel s-a dovedit a fi inutilă din cauza focosului detașabil.
Ce fel de metal poate fi pus pe locul trei „în ceea ce privește capacitatea de rachetă”? Răspunsul poate părea evident. Titan? Se dovedește că nu este deloc.
Cupru
Metalul de bază al ingineriei electrice și termice. Ei bine, nu e ciudat? Destul de greu, nu prea puternic, în comparație cu oțelul - fuzibil, moale, în comparație cu aluminiu - scump, dar totuși un metal indispensabil.
Totul ține de conductivitatea termică monstruoasă a cuprului - este de zece ori mai mult decât oțelul ieftin și de patruzeci de ori mai mult decât oțelul inoxidabil scump. De asemenea, aluminiul pierde în fața cuprului din punct de vedere al conductivității termice și, în același timp, din punct de vedere al punctului de topire. Și această conductivitate termică frenetică este necesară chiar în inima rachetei - în motorul acesteia. Cuprul este folosit pentru a face peretele interior al motorului rachetei, cel care reține căldura de 3.000 de grade a inimii rachetei. Pentru ca peretele să nu se topească, este realizat din compozit - exteriorul, oțelul, susține sarcini mecanice, iar interiorul, cupru, ia căldură.
Într-un spațiu subțire dintre pereți, există un flux de combustibil de la rezervor la motor și apoi se dovedește că cuprul depășește oțelul: adevărul este că temperaturile de topire diferă cu o treime, dar conductivitatea termică este de zeci de ori. Deci peretele de oțel se va arde înaintea celui de cupru. Frumoasa culoare „cupru” a duzelor motoarelor R-7 este clar vizibilă în toate fotografiile și în reportajele de televiziune despre îndepărtarea rachetelor la locul de lansare.
La motoarele rachetei R-7, peretele interior „de tragere” nu este realizat din cupru pur, ci din bronz crom, care conține doar 0,8% crom. Acest lucru reduce oarecum conductivitatea termică, dar în același timp crește temperatura maximă de funcționare (rezistența la căldură) și face viața mai ușoară tehnologilor - cuprul pur este foarte vâscos, este dificil de prelucrat prin tăiere, iar pe mantaua interioară este necesar a freza nervurile cu care se prinde de cea exterioara. Grosimea peretelui de bronz rămas este de doar un milimetru, nervurile sunt de aceeași grosime, iar distanța dintre ele este de aproximativ 4 milimetri.
Cu cât tracțiunea motorului este mai mică, cu atât condițiile de răcire sunt mai proaste - consumul de combustibil este mai mic, iar suprafața relativă este în mod corespunzător mai mare. Prin urmare, în motoarele cu tracțiune mică utilizate în navele spațiale, este necesar să se folosească nu numai combustibil pentru răcire, ci și un agent oxidant - acid azotic sau tetroxid de azot. În astfel de cazuri, pentru protecție, peretele de cupru trebuie să fie cromat pe partea în care curge acidul. Dar chiar și acest lucru trebuie suportat, deoarece un motor cu un perete de foc din cupru este mai eficient.
Sincer, să spunem că există și motoarele cu perete interior din oțel, dar parametrii lor, din păcate, sunt mult mai răi. Și nu este vorba doar de putere sau de forță, nu, principalul parametru al perfecțiunii motorului - impulsul specific - în acest caz devine mai mic cu un sfert, dacă nu cu o treime. Pentru motoarele „medii”, este de 220 de secunde, pentru cele bune - 300 de secunde, iar pentru cele mai „cool și fancy”, cele din care sunt trei piese pe spatele Shuttle, - 440 de secunde. Adevărat, motoarele cu pereți de cupru datorează asta nu atât perfecțiunii designului, cât hidrogenului lichid. Este imposibil chiar și teoretic să faci un astfel de motor cu kerosen. Cu toate acestea, aliajele de cupru au făcut posibilă „strângerea” combustibilului pentru rachete până la 98% din eficiența sa teoretică.
Argint
Un metal prețios cunoscut omenirii încă din antichitate. Metal, fără de care nu te poți descurca nicăieri. Ca un cui care nu a fost în forjă într-o poezie celebră, ține totul pe sine.
El este cel care conectează cuprul cu oțelul într-un motor de rachetă lichid și în aceasta, poate, se manifestă esența sa mistică. Niciunul dintre celelalte materiale structurale nu are nimic de-a face cu misticismul - un traseu mistic a urmat exclusiv în spatele acestui metal de secole. Și așa a fost de-a lungul istoriei utilizării sale de către om, mult mai lungă decât cea a cuprului sau a fierului. Ce putem spune despre aluminiu, care a fost descoperit abia în secolul al XIX-lea și a devenit relativ ieftin și mai târziu - în secolul al XX-lea.
În toți anii civilizației umane, acest metal extraordinar a avut un număr mare de aplicații și diverse profesii. I-au fost atribuite multe proprietăți unice, oamenii l-au folosit nu numai în domeniul lor tehnic și activitate științifică dar și în magie. De exemplu, multă vreme s-a crezut că „tot felul de spirite rele se tem de el”.
Principalul dezavantaj al acestui metal a fost costul său ridicat, motiv pentru care a trebuit întotdeauna cheltuit cu moderație, mai precis, rezonabil - așa cum a cerut următoarea aplicație pe care oamenii neliniștiți au inventat-o pentru el. Mai devreme sau mai târziu, i s-au găsit niște înlocuitori, care de-a lungul timpului, cu mai mare sau mai puțin succes, l-au înlocuit.
Astăzi, practic în fața ochilor noștri, dispare dintr-o sferă atât de minunată a activității umane precum fotografia, care timp de aproape un secol și jumătate ne-a făcut viața mai pitorească, iar cronicile mai sigure. Și acum cincizeci (sau cam așa ceva) de ani, a început să piardă teren într-una dintre cele mai vechi meșteșuguri - baterea monedelor. Desigur, monede din acest metal sunt încă produse astăzi - dar numai pentru distracția noastră: au încetat de mult să mai fie bani propriu-zis și s-au transformat în bunuri - cadouri și obiecte de colecție.
Poate că atunci când fizicienii inventează teleportarea și motoarele de rachete nu mai sunt necesare, ultima oră va veni pentru un alt domeniu al aplicației sale. Dar până acum, nu a fost posibil să se găsească un înlocuitor adecvat pentru el, iar acest metal unic rămâne de neegalat în știința rachetelor - la fel ca în vânătoarea de vampiri.
Probabil ați ghicit deja că toate cele de mai sus se aplică argintului. Din vremea GIRD și până în prezent, singura modalitate de a conecta părțile camerei de ardere a motoarelor rachete a fost lipirea cu lipituri de argint într-un cuptor cu vid sau într-un gaz inert. Încercările de a găsi lipituri fără argint în acest scop nu au dus încă la nimic. În unele zone înguste, această problemă poate fi uneori rezolvată - de exemplu, frigiderele sunt acum reparate folosind lipitură cupru-fosfor - dar nu există un înlocuitor pentru argint în LRE. În camera de ardere a unui motor rachetă mare, conținutul său ajunge la sute de grame și, uneori, ajunge la un kilogram.
Argintul este numit metal prețios, mai degrabă, din cauza unui obicei de mai multe mii de ani, există metale care nu sunt considerate prețioase, dar sunt mult mai scumpe decât argintul. Luați cel puțin beriliu. Acest metal este de trei ori mai scump decât argintul, dar își găsește aplicație și în nave spațiale (deși nu în rachete). Este cunoscut în principal pentru capacitatea sa de a încetini și de a reflecta neutronii în interior reactoare nucleare. Ca material structural, a început să fie folosit mai târziu.
Desigur, este imposibil să enumerați toate metalele care pot fi numite numele mândru de „aripi”, și nu este nevoie de acest lucru. Monopolul metalelor care exista la începutul anilor 1950 a fost de mult rupt de sticlă și fibra de carbon. Costul ridicat al acestor materiale încetinește răspândirea lor în rachetele de unică folosință, dar în avioane sunt introduse mult mai pe scară largă. Carenaje CFRP care acoperă sarcina utilă și duzele motorului din treapta superioară CFRP există deja și încep treptat să concureze cu piesele metalice.
Dar, după cum se știe din istorie, oamenii lucrează cu metale de aproximativ zece mii de ani și nu este atât de ușor să găsești un înlocuitor echivalent pentru aceste materiale.
Titan și aliaje de titan
Cel mai la modă metal al erei spațiale.
Contrar credinței populare, titanul nu este foarte utilizat pe scară largă în tehnologia rachetelor - aliajele de titan sunt folosite în principal pentru a face butelii de gaz de înaltă presiune (în special pentru heliu). Aliajele de titan devin mai puternice atunci când sunt plasate în rezervoare cu oxigen lichid sau hidrogen lichid, ca urmare, acest lucru permite reducerea masei lor. Pe nava spatiala TKS, care, totuși, nu a zburat niciodată cu astronauții, acționarea mecanismelor de andocare a fost pneumatică, aerul pentru acesta a fost stocat în mai multe baloane de titan de 36 de litri cu o presiune de funcționare de 330 de atmosfere. Fiecare astfel de balon cântărea 19 kilograme. Acesta este de aproape cinci ori mai ușor decât un cilindru standard de sudură de aceeași capacitate, dar proiectat pentru jumătate din presiune!
„Utilizarea metalelor” – Mercurul este folosit pentru umplerea termometrelor. În zilele noastre, multe obiecte pe care le folosim în viață sunt făcute din metale. Marcus Aurelius. Accesoriile de cusut sunt, de asemenea, realizate din otel. Un bun conductor de căldură și electricitate (al doilea doar după argint). Ustensilele de uz casnic sunt fabricate din oțel. Metalele în viața noastră.
„Lecția de metale” - Metale. Colorat 10%. Integrarea chimiei cu alte discipline. Un exces de fier transformă o persoană într-o creatură agresivă, cu un caracter crud, egoist. Elementele chimice care alcătuiesc corpul uman. Se pare că oamenilor vorbăreți le place să vorbească din... o abundență de mercur în organism. Aurul prevalează în trupul oamenilor deșarte și aroganți.
„Elemente-metale” - Staniu (lat. Staniul era cunoscut omului deja în mileniul al IV-lea î.Hr. Epoca bronzului. Podul Annichkov din Sankt Petersburg. Fontă. Sodiu. Tunul țarului. Aurul are o conductivitate termică excepțional de mare și o rezistență electrică scăzută. .Colosul din Rodos.Ace de cusut de fier.Discobolus.Natrium), moale metal alcalin alb argintiu.
„Coroziunea metalului” - Proprietăți generale și obținere. Distrugerea metalelor și aliajelor sub influență mediu inconjurator numită coroziune. Coroziunea metalelor. Coroziunea metalelor Metode de obţinere a metalelor. Ce vei învăța (plan de studiu). Conexiune metalica. Metalele în viața noastră. Dintre cele două metale, cel mai activ corodează.
„Caracteristicile metalelor” - Fier. Ruginirea și coroziunea metalelor. Conductivitate electrică bună. Aproximativ 70% din toate elementele chimice sunt metale. Metalele sunt unul dintre bazele civilizației pe planeta Pământ. caracteristici generale. O cantitate mare de sodiu și magneziu se găsește în apa de mare: - 1,05%, - 0,12%. Varietate de metale.
„Metale neferoase” - țeavă Kimberlit „Mir”, diametru 1.500 m, adâncime 500 m. Fabrică de aluminiu Sayan. Aluminiu staniu cupru tungsten nichel molibden magneziu argint. Metalele neferoase sunt rezistente la căldură, conduc bine electricitatea și nu ruginesc. Titan aur cupru tungsten zinc plumb aluminiu staniu. Metale neferoase ușoare.
Fiecare ramură a tehnologiei, pe măsură ce se dezvoltă, face cerințe din ce în ce mai diverse și mai mari asupra metalelor. Dar cele mai exigente cerințe sunt impuse metalelor pentru sateliți și nave spațiale - acestea trebuie să combine cele mai bune proprietăți mecanice, chimice și fizice.
Este dificil de prezis cum se va comporta acest sau acel material în spațiul cosmic. Și cunoașterea exactă a acestui lucru este extrem de importantă pentru designerii de nave spațiale. În lumina celor mai recente realizări spațiale ale URSS și SUA, problemele metalurgiei spațiale devin deosebit de actuale. Oamenii de știință sunt interesați de comportamentul metalelor și aliajelor în condiții spațiale, sunt preocupați de sarcina de a furniza industriei spațiale materiale metalice. Dar cerințele pentru materiale pentru vehicule spațiale și cu reacție sunt foarte diverse și ridicate. Pe lângă temperatură (temperaturi înalte și ultra-scăzute) și rezistența la cicluri termice, necesită densitate ermetică în condiții de vid absolut (10-16 atm), rezistență la vibrații, accelerații mari (de zeci de mii de ori mai mari decât gravitația), meteorit bombardament, expunere pe termen lung la plasmă, radiații, imponderabilitate, rezistență la căldură etc.
Oamenii de știință sovietici E. A. Dukhovskoy, V. S. Onishchenko, A. N. Ponomarev, A. A. Silin și V. L. Tal'roze au descoperit fenomenul frecării ultrascăzute a solidelor.
Cercetătorii au descoperit că, atunci când suprafața unui corp polimeric, cum ar fi polietilena care se freacă în vid împreună cu metalul, este iradiată cu un flux de atomi de heliu accelerați, se observă o tranziție de la frecare obișnuită la frecare ultra-scăzută. În acest caz, coeficientul de frecare este de miimi. În timpul experimentului, acest efect a persistat într-o gamă largă de viteze și sarcini specifice mari. Utilizarea acestui fenomen deschide perspective largi pentru creșterea durabilității și fiabilității mașinilor și dispozitivelor care funcționează în vid, spațiu deschis.
În cursul cercetărilor spațiale pe Lună, au fost descoperite zăcăminte de minerale valoroase - fier, mangan, titan și alte minereuri. La analiza solului lunar s-au descoperit noi minerale și fier, care nu se pretează la oxidare nici măcar în condiții terestre. Pentru zborurile spațiale - construcția rampelor de lansare, a vehiculelor de lansare și a navelor spațiale în sine - veți avea nevoie de mult metal.
Crearea unor condiții pe Pământ precum imponderabilitate, vid profund, temperaturi ridicate și scăzute, fluxuri de radiații penetrante este foarte dificilă și costisitoare. Odată cu dezvoltarea societății, devine necesară introducerea în spațiu, de exemplu, în orbitele sateliților Pământului, părți ale complexelor tehnice.
Pilotul-cosmonautul URSS Viktor Gorbatko le-a spus reporterilor: "Când se folosește termenul „producție în spațiu”, nu se poate folosi scara pământească. Acest lucru este evident. Volumul și greutatea produselor vor fi limitate. Dar caracteristici unice produsele livrate de la stația orbitală pe Pământ vor recupera mai mult decât costurile.”
V. Gorbatko citează ca exemplu materialele din spumă. Pe Pământ, sub greutatea metalului topit, gazul este eliberat din topitură. Și în spațiu, în condiții de imponderabilitate, puteți obține oțel spumă, ușor ca lemnul și puternic ca oțelul obișnuit. Oțelul spumă este foarte necesar pentru creatorii viitoarelor obiecte spațiale.
Experimentul „cuptor universal” realizat în timpul zborului comun al lui Soyuz și Apollo face posibilă, într-o anumită măsură, evaluarea posibilităților practice de creare a producției extraterestre. Sunt în curs de dezvoltare proiecte de stații-fabrici orbitale asamblate în spațiul cosmic.
Autor al multor proiecte și idei îndrăznețe, Dr. tehnologie. Științe, profesorul G. I. Pokrovsky consideră că este destul de posibil să se organizeze o „economie a furnalului” relativ ieftină în spațiu. Materia primă pentru producție va fi întregul sistem solar cu nenumărații săi meteoriți și asteroizii mici. Panourile solare vor acumula energie pentru unitățile cerești, iar vidul impecabil al spațiului va permite utilizarea celei mai moderne tehnologii.
Materia prima - meteorul prins - este retinuta de captare. O sursă de lumină pulsată conectată la o baterie solară excită un generator cuantic. Raza acestui laser evaporă substanța corpului meteoric. Plasma de înaltă temperatură este antrenată de câmpul electric și concentrată sub formă de jet de către o lentilă magnetică. Într-un spectrograf magnetic, fluxul de plasmă este descompus în jeturi de ioni de diferite substanțe. Apoi metalul dorit - fier, cobalt, nichel - se condensează, formând o tijă care crește treptat. Zgura rezultată este aruncată pentru a muta și orienta unitatea în spațiu.
Tijele metalice sunt măcinate, tăiate și aruncate în spațiu cu o viteză dată. Scopul lor este de a servi material de construcții când creăm stații orbitale în spațiul apropiat al Pământului al sistemului nostru solar. Tija va fi sudată pe ferme cu plutire liberă folosind energie solară.
Desigur, acum se poate discuta despre detaliile tehnologice ale viitoarei metalurgii spațiale, un lucru este incontestabil - o astfel de metalurgie poate exista.
Metalurgia se ocupă cu producerea metalelor și cu procese care conferă aliajelor metalice proprietățile necesare prin modificarea compoziției și structurii acestora. Metalurgia include procesele de curățare a metalelor de impuritățile nedorite, producția de metale și aliaje, tratarea termică a metalelor, turnarea, acoperirea suprafeței produselor etc. Cele mai multe dintre aceste procese includ tranziții de fază la stări lichide sau gazoase, pentru care influența forțelor de masă asupra compoziției și structurii materialului final poate fi semnificativă. Prin urmare, transferul proceselor metalurgice în spațiu deschide posibilități fundamentale pentru producerea de materiale cu caracteristici îmbunătățite, precum și materiale care nu pot fi obținute pe Pământ.
Procesele metalurgice în condiții de spațiu pot fi folosite pentru a rezolva următoarele probleme.
1. Pregătirea aliajelor în care nu există segregare datorită forței lui Arhimede (obținerea materialelor compozite, aliaje de omogenitate și puritate ridicată, spumă de metale).
2. Prepararea aliajelor în absența curenților de convecție (monocristale fără defecte, eutectice îmbunătățite și materiale magnetice).
3. Turnare fără gravitație (pregătire de filme, sârmă, produse turnate de formă complexă).
4. Topirea fără creuzet a metalelor și aliajelor (purificarea metalelor și aliajelor, solidificarea lor omogenă).
5. Dezvoltarea metodelor de obținere a îmbinărilor permanente pe vehiculele spațiale (sudură, lipire etc.).
Să luăm în considerare pe scurt stadiul cercetărilor care vizează obținerea de materiale în spațiu prin metode metalurgice.
Cristale și aliaje fără defecte. Pentru producerea aliajelor, componentele inițiale pot fi preparate atât în fază lichidă, cât și în fază gazoasă (vapora), urmată de cristalizare. În imponderabilitate, din cauza absenței separării fazelor, pot fi specificate combinații arbitrare de componente în orice stare. Este posibilă, în special, să se obțină o tranziție directă de la faza de vapori la solid, ocolind topitura. Materialele obținute prin evaporare și condensare au o structură mai fină, care este de obicei dificil de obținut în procesele de topire și solidificare (topirea în condiții de spațiu poate fi considerată o metodă de purificare). În acest caz, în topitură sunt posibile următoarele efecte: evaporarea unei componente mai volatile, distrugerea compuşilor chimici (oxizi, nitruri etc.).
Cel mai important proces pentru producerea aliajelor este solidificarea. Acest proces afectează în mod semnificativ structura metalului. În timpul solidificării pot apărea diverse defecte în structura metalică: eterogenitatea aliajului în ceea ce privește compoziția chimică, porozitatea etc. Prezența scăderilor de temperatură și concentrație în topitură poate duce la convecție. Dacă topitura se solidifică în condiții de fluctuații de temperatură, atunci apar fluctuații locale ale ratei de creștere a cristalului, ceea ce poate duce la un astfel de defect precum o structură cristalină cu bandă. Pentru a depăși acest defect structural, sunt necesare măsuri de reducere a convecției.
În condiții de spațiu se deschide posibilitatea de a pregăti amestecuri omogene formate din componente cu densități diferite și cu puncte de topire diferite. Pe Pământ, astfel de amestecuri nu pot fi stabile din cauza forței lui Arhimede. O clasă specială de aliaje de acest tip sunt materialele magnetice, inclusiv noii supraconductori.
S-a remarcat anterior că unul dintre avantajele metodei de topire a zonei în condiții de spațiu este că este posibil să se obțină cristale simple de dimensiuni mai mari decât pe Pământ. Absența gravitației face posibilă și organizarea proceselor de cristalizare dirijată într-un mod nou. În acest fel, se pot obține mustăți de lungime mare („muștați”, sau „muștați”) cu rezistență sporită.
Să luăm în considerare experimentele în care au fost investigate posibilitățile practice ale metalurgiei spațiale. Deci, într-un experiment la stația Skylab, aliajele au fost obținute din componente care sunt slab amestecate în condiții terestre. În trei fiole au fost plasate semifabricate de aliaje de aur-germaniu, plumb-zinc-antimoniu, plumb-staniu-indiu. În condiții de spațiu, probele au fost topite timp de câteva ore, ținute la o temperatură peste punctul de topire și apoi răcite. Probele livrate pe Pământ au proprietăți unice: omogenitatea materialelor s-a dovedit a fi mai mare decât cea a probelor de control obținute pe Pământ, iar aliajul de aur cu germaniu s-a dovedit a fi supraconductor la o temperatură de aproximativ 1,5 K. Amestecuri analoge obținute dintr-o topire pe Pământ nu posedă această proprietate, aparent din cauza lipsei de omogenitate.
În cadrul programului sovietic-american ASTP, a fost realizat un astfel de experiment, al cărui scop a fost studiul posibilității de a obține materiale magnetice cu caracteristici îmbunătățite. Pentru cercetare au fost alese aliaje de mangan-bismut și cupru-cobalt-ceriu. ÎN zonă de muncă Cuptorul electric de încălzire a fost menținut la o temperatură maximă de 1075 °C timp de 0,75 ore, iar apoi cuptorul s-a răcit timp de 10,5 ore. Solidificarea a avut loc în perioada de somn a astronauților pentru a reduce impactul nedorit al vibrațiilor în timpul mișcărilor acestora în interiorul stației. Cel mai important rezultat al acestui experiment este că probele de primul tip, întărite la bordul navei spațiale, au o forță coercitivă cu 60% mai mare decât cea a probelor de control obținute pe Pământ.
Materiale compozite. Materialele compozite, sau compozitele, sunt materiale create artificial care constau dintr-un liant principal și o umplutură de armare durabilă. Exemplele includ combinația de aluminiu (material de lipire) cu oțel preparat sub formă de filamente (material de armare). Aceasta include, de asemenea, metale spumante, adică metale, al căror volum conține un număr mare de bule de gaz distribuite uniform. În comparație cu componentele care le formează, materialele compozite au proprietăți noi - rezistență crescută cu o greutate specifică mai mică. O încercare de a obține compozite cu o bază în stare lichidă în condiții terestre duce la delaminarea materialului. Pregătirea compozitelor în condiții de spațiu poate asigura o distribuție mai uniformă a umpluturii de armare.
La stația Skylab s-a înființat și un experiment, al cărui scop a fost obținerea de materiale compozite armate cu „muștați” din carbură de siliciu ( gravitație specifică 3.1). Argintul (gravitate specifică 9,4) a fost ales ca material principal (matrice). Materialele compozite cu o bază metalică întărită cu „muștați” prezintă un interes practic datorită rezistenței lor ridicate. Tehnica de producere a acestora se bazează pe procese succesive de amestecare, presare și sinterizare.
La efectuarea unui experiment spațial, dimensiunile particulelor de pulbere de argint au fost de ~ 0,5 mm, diametrul mustaților de carbură de siliciu a fost de ~ 0,1 μm, iar lungimea medie a fost de ~ 10 μm. Tubul de cuarț care adăpostește proba avea un piston din grafit-cuarț cu un arc pentru a comprima proba după topire pentru a extruda golurile din topitură. Un studiu al materialelor compozite livrate în spațiu a arătat că, în comparație cu probele de control, acestea au o structură mult mai uniformă și o duritate mai mare. În cazul materialelor obținute pe Pământ, stratificarea structurală este clar vizibilă, iar „muștații” plutesc în sus.
Eutectică. Un eutectic este un amestec subțire de solide care cristalizează simultan la o temperatură sub punctul de topire al oricăruia dintre componente sau al oricăror alte amestecuri ale acestor componente. Temperatura la care o astfel de topitură cristalizează se numește temperatură eutectică. Aliajele de acest tip sunt adesea formate din componente care sunt foarte diferite unele de altele (de exemplu, aliajul eutectic al lemnului include bismut, plumb, staniu, cadmiu). Materialele eutectice sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie: sunt utilizate pentru fabricarea palelor de turbine cu gaz, ca supraconductoare și materiale optice speciale.
Pentru prepararea eutecticilor, se folosește de obicei metoda de solidificare direcțională, adică solidificarea într-o direcție dată. Aplicarea acestei metode în condiții de spațiu prezintă un interes indubitabil, deoarece datorită absenței convecției, omogenitatea materialului poate fi îmbunătățită, iar prin eliminarea contactului topiturii cu pereții, se poate obține fără oxizi. materiale care vor avea proprietăți optice utile.
O varietate de eutectice sunt sisteme cu două faze, cum ar fi „muștații”. Acestea sunt monocristale aciculare cu un foarte structura perfecta, a cărui putere, datorită absenței incluziunilor străine, se apropie de posibilul teoretic. În imponderabilitate, astfel de materiale pot fi cultivate și introduse în metal lichid prin metode de turnare compozite. Un alt tip de eutectică este filmele epitaxiale subțiri. Se găsesc astfel de filme aplicare largă la fabricarea tranzistoarelor prin aplicarea materialului pe o bază solidă - un substrat dintr-o fază lichidă sau de vapori. Manifestarea convecției într-un lichid sau gaz duce la o distorsiune a rețelei filmelor epitaxiale, la apariția incluziunilor nedorite și a altor defecte structurale în acestea.
Au fost efectuate o serie de experimente în condiții de spațiu pentru a studia aliajele eutectice. De exemplu, într-un experiment la stația Skylab, a fost investigat efectul imponderabilității asupra structurii unui aliaj de cupru-aluminiu în timpul solidificării direcționale. În probele livrate din spațiu, numărul de defecte a scăzut cu 12–20%. Într-un alt experiment la stația Skylab și MA 131 în timpul zborului comun al navei spațiale Soyuz și Apollo, a fost studiată producția de eutectici cu halogenuri în două faze (NaCl-NaF în primul caz și NaCl-LiF în al doilea). În timpul solidificării unui astfel de eutectic, una dintre faze (NaF sau LiF) poate forma filamente încorporate în cealaltă fază ca material de matrice.
Asemenea substanțe eutectice pot fi utilizate ca fibre optice pentru regiunea infraroșu a spectrului. Eutecticele filamentoase produse pe Pământ au un număr mare de defecte, apariția cărora este asociată cu mișcări oscilatorii de convecție în lichid. Structura eutecticilor cu halogenuri obținute în spațiu s-a dovedit a fi mai perfectă, ceea ce a dus la îmbunătățirea lor. specificații. Astfel, coeficientul de transmisie a luminii pentru eșantionul de primul tip a crescut de 40 de ori, iar de al doilea tip - de 2 ori în comparație cu mostre similare cultivate pe Pământ.
Tehnologie pentru obținerea conexiunilor permanente. După cum s-a menționat mai sus, prima lucrare din lume în acest domeniu a fost efectuată în Uniunea Sovietică în 1969 pe nava spațială Soyuz-6. Pe stația spațială sovietică Salyut-5, cosmonauții B. V. Volynov și V. M. Zholobov au continuat cercetările în această direcție, realizând cu succes experimente privind lipirea metalelor cu ajutorul dispozitivului Reaction. Dispozitivul „Reacție” (vezi Fig. 6) și exocontainerul plasat în el nu au fost ermetice prin proiectare și, prin urmare, pentru a simula condițiile de lipire în spațiul cosmic, aerul a fost evacuat în prealabil din zona etanșă dintre manșon și tub ( vezi Fig. 9). Tubul și cuplajul au fost realizate din oțel inoxidabil, iar pentru a crea goluri capilare între ele, pe suprafața tubului s-a făcut moletare cu o adâncime de 0,25 mm. Ca lipit, a fost aleasă o lipitură mangan-nichel la temperatură înaltă (temperatura de lipire 1200–1220 °C), care se caracterizează prin proprietăți mecaniceși rezistență bună la coroziune.
Studiile metalografice la sol și testele sudurilor (pentru etanșeitatea la vid, pentru rezistența mecanică la un tester de tracțiune cu o presiune internă de până la 500 atm) au arătat că îmbinările de lipire obținute în spațiu nu sunt inferioare calitativ celor obținute în condiții terestre. , și să le depășească într-un număr de indicatori. În special, se observă o umplere uniformă a golurilor cu lipire, iar microstructura metalică este mai uniformă (vezi Fig. 10).
Rezultatele testării diferitelor metode de sudare și lipire la bordul navelor spațiale confirmă că aceste metode de obținere a îmbinărilor permanente își vor găsi o aplicație largă atunci când se efectuează lucrări de montare și asamblare pe obiecte spațiale promițătoare.
Note:
Segregarea, sau segregarea, în metalurgie este eterogenitatea aliajului în ceea ce privește compoziția chimică.
Forța coercitivă este puterea câmpului magnetic necesară pentru demagnetizarea completă a unui feromagnet.
Ghid de lumină cu fibre - o tijă dielectrică transparentă sau fir (fibră) utilizată în sistemele optice pentru a transmite lumina.