[300x]Подобно тому, как образуются снежинки, или как мороз рисует узор на ветровом стекле автомобиля, образуются и кристаллы в процессе металлического литья. Известные как «дендриты», эти кристаллы формируются и растут после кристаллизации из пара или раствора. Рост кристаллов происходит в процессе технологической обработки металлических сплавов и имеет отношение ко всему, от зубных пломб до лопаток турбин.

Дендриты, которые образуются в металлическом литье, напоминают рождественские елки с ветвями, расположенными на разном расстоянии друг от друга. Хотя это еще не совсем понятно, но прочность структур металлического литья в какой-то степени связана с расстоянием между осями дендрита.

«Сейчас мы занимаемся такими вопросами – расстояние между дендритными осями и исследование, каким образом изменяется форма дендритов, если рассматривать ее как функцию времени», – говорит Питер Вуриз (Peter Voorhees), научный руководитель программы «Выращивание кристаллов из смесей, представляющих собой твердые растворы» (Coarsening in Solid-Liquid Mixtures), или CSLM-3, из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс. «Мы проявляем огромный интерес к исследованию металлических дендритов, поскольку, несомненно, существует связь между упомянутыми дендритами и свойствами литых изделий, изготовленных из металлов».

В настоящее время исследование CSLM-3 проводится на борту Международной космической станции. Образцы CSLM-3 представляют собой смесь свинца и олова, сформованную в виде круглых дисков («хоккейных шайб») с размерами 0,75 дюйма примерно на 0,5 дюйма. Каждый из шести образцов помещается в свой собственный отдельный технологический блок обработки образца, разновидность печи, в которой образец нагревается до температуры 365 градусов Фаренгейта (185 градусов Цельсия).

«Мы хотим исследовать этот процесс изменения (формы), применив автоматическое управление, очень тщательно продуманное, чтобы исключить любые сложности, которые обычно возникают на Земле, например, связанные с осаждением. Вот почему мы должны были перенести наши работы в космос»,– говорит Вуриз.

[300x]Существенно подобно тому, как лед плавает на поверхности в стакане с водой, дендриты осаждаются на поверхности образца из-за разницы в плотности, присущей твердой и жидкой фазам. CSLM-3 будет использовать условия микрогравитации (невесомости) космического пространства, чтобы существенно уменьшить такое осаждение. В условиях, когда отсутствует влияние гравитации, дендриты, вместо того, чтобы плавать на поверхности, будут равномерно распределяться по всему образцу. Это позволяет существенно упростить изучение процесса роста и изменения дендритных осей во времени.

Дендритные оси могут также обламываться. Если это происходит на Земле, то отделившаяся ось может в среде расплава приблизиться к какой-либо другой части, слиться с другим дендритом, образовав одно целое, и, таким образом, изменить свойство материала. Если такое отделение оси дендрита происходит в космосе, то отделившаяся часть никуда не перемещается.

«Вот это мы как раз и сможем проверить»,– утверждает Вуриз. «Что мы сможем однозначно наблюдать, так это протекание данного процесса отделения. Возможно, мы сможем в какой-то мере пролить свет на то, какие из предположительно установленных механизмов фактически задействованы в процессе отделения осей дендритов».

Хотя образцы в рамках программы CSLM-3 будут подвергаться технологической обработке на космической станции, анализ будет проводиться в наземных условиях. Как только образцы вернутся на Землю, научный руководитель программы и его команда приступят к трудоемкому процессу тщательного анализа путем разделения образцов на отдельные элементы и изучения их под микроскопом. Хотя процесс анализа может занять несколько лет, сами образцы могут иметь совсем короткое время жизни.

[300x]«Это будет одним из всего лишь нескольких случаев, когда космический эксперимент для продолжения вернется обратно на Землю тем же рейсом, который доставил его на космическую станцию»,– резюмирует Боб Ховерсаат (Bob Hawersaat), руководитель программы CSLM-3 из Научно-исследовательского Центра имени Гленна, НАСА, в Кливленде. «Мы планируем подняться в космос в корабле-капсуле «Dragon» во время второй грузовой (транспортной) миссии, реализуемой частной компанией SpaceX в марте, провести эксперимент на борту станции и вернуться на Землю на том же корабле обратным рейсом. Причина, по которой мы вынуждены так поступить, кроется в том, что срок жизни наших образцов – всего 100 дней. Поэтому мы должны подняться в космос и сразу же отправляться назад. Я думаю, мы впервые планируем подобным образом научный физический эксперимент».

Другая проблема, которая встает перед учеными, – низкая температура плавления образцов. Рост кристаллов возможен даже при комнатной температуре. Это может привести к изменению свойств образцов, затвердевание (кристаллизация) которых происходило в космосе, что еще в большей степени усложнит процесс анализа данных. Для предотвращения этого, а также для сохранения образцов в неизменном состоянии для последующего проведения анализа, образцы хранят на льду.

«Когда образцы вернутся с космической станции на Землю, их сразу же поместят на сухой лед»,–говорит Вуриз. «Мы доставим их домой и положим в морозильную камеру, в которой поддерживается температура порядка -112 градусов Фаренгейта (-80 градусов Цельсия )».

Ученые, принимающие участие в исследовании, надеются на то, что CSLM-3 позволит получить принципиально новое представление о том, как протекает процесс роста (укрупнения) в дендритных структурах с течением времени. Это новое знание позволило бы создавать более точные модели.

Разработка более точных, более адекватно отражающих процессы роста моделей является главным звеном в создании большого разнообразия новых, более прочных материалов – от материалов, использующихся в производстве автомобилей и лопаток реактивных турбин, до материалов, используемых в космосе.

http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/cslm3.html
http://www.astrogorizont.com/content/read-Virashchivanie_rozhdectvenckix_elok