Ученые Академгородка изготовили опытный образец установки для выращивания полупроводников в космосе

На Земле многослойные полупроводниковые структуры «выращиваются» методом молекулярно-лучевой эпитаксии: атомы разных элементов укладываются на специальную подложку послойно, в результате чего образуются многослойные наноструктуры с нужными свойствами. Чтобы в растущую структуру не попали чужеродные атомы и не испортили ее характеристики, процесс должен происходить в сверхвысоковакуумных установках. Однако, такие  приборы весьма дороги, при этом в земных условиях в них труднодостижимы высокие параметры чистоты вакуума, которые с легкостью можно получить в космосе. Для этого реализуется проект «Экран», участники которого ― ИФП СО РАН, ПАО «РКК «Энергия», ООО НПФ «Электрон» (Красноярск) и другие научные и производственные организации. Сейчас это единственный в мире проект подобной тематики.

«Мы оснастили опытный образец отечественной электроникой, в ближайшее время будут проходить контрольно-доводочные испытания. Вместе с коллегами из красноярской научно-производственной фирмы “Электрон” мы проверим слаженность работы блока управления и установки молекулярно-лучевой эпитаксии. Затем весь комплекс отправим в Москву, и там уже будет проводиться опробование прибора в условиях, приближенных к тем, что есть в космосе», ― говорит главный конструктор проекта, заведующий лабораторией молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А3В5 ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Никифоров.

«Мы сделали и гидромакет установки для предполетных испытаний в воде, которые проводятся по стандартам РКК “Энергия”. Последние нужны, чтобы космонавт мог совершить в бассейне, в костюме похожем на скафандр, все действия, которые потребуются на орбите. Сейчас обсуждается возможность заключения договора с НИИ “Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина”. К нам планируется откомандировать двоих космонавтов, а мы, в свою очередь, отправим к ним наших технологов», ― объясняет научный руководитель проекта, заведующий отделом ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Олег Петрович Пчеляков.

Вся установка спроектирована так, чтобы синтез полупроводникового материала происходил автоматически. Космонавту нужно будет провести лишь некоторые подготовительные этапы, присоединить кассету с подложками арсенида галлия (GaAs), а после завершения процессов синтеза, снять ее и отправить на Землю в спускаемом модуле.

«Эргономические характеристики установки обусловлены, в том числе и размерами скафандра: космонавт в огромных перчатках сможет с легкостью выполнить задачи связанные с обслуживанием прибора. При этом все комплектующие сделаны с учетом крайне жестких ограничений по габаритам и весу, поскольку стоимость каждого килограмма груза, доставленного на орбиту ―  около 20 тысяч долларов, а пространственные размеры определяются параметрами грузового люка», ― подчеркивает ведущий инженер лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А3В5 ИФП СО РАН Дмитрий Николаевич Придачин.

Установку для выращивания полупроводников планируется разместить на Международной космической станции за специальным экраном. Упрощенно его можно представить как диск из нержавеющей стали, двигающийся вместе со станцией с первой космической скоростью. В кильватере диска  образуется сверхвысокий вакуум с характеристиками, не достижимыми в земных условиях. Поэтому «космические» полупроводниковые материалы во время синтеза будут защищены от попадания чужеродных атомов, и, как следствие, практически бездефектны.  Эти материалы могут использоваться, в частности, для производства легких и радиационно-стойких солнечных батарей, которые востребованы, в том числе на самой МКС. Ученые предполагают, что КПД таких устройств будет выше, чем у аналогичных панелей полностью земного происхождения, благодаря высокому качеству полупроводникового материала.                                         

По материалам пресс-службы ИФП СО РАН, фото из открытых источников

Эксперименты с невесомостью могут начаться в 2024 году

Башня сбрасывания позволит создавать условия невесомости на несколько секунд, ее предположительная высота составит — 150−160 метров. Инициатором создания такой установки в рамках Междисциплинарного исследовательского комплекса аэрогидродниамики, механики и энергетики (МИК АМиЭ, проект Академгородка 2.0) выступает Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. «Это научная установка, объект класса Megascience, что характеризуется международными коллаборациями внутри объекта и его уникальностью в мировом масштабе, — рассказал замдиректора Института теплофизики Артур Бильский. — Башня сбрасывания — один из ключевых объектов междисциплинарного исследовательского комплекса, который будет содержать несколько экспериментальных стендов для решения перспективных задач». Также в рамках комплекса появятся аэродинамические трубы, стенды для моделирования различных условий, полигон для отработки технологий возобновляемой и нетрадиционной энергетики. Известно, что МИК расположится между Академгородком и наукоградом Кольцово, однако более подробное местоположение еще определяется.

Башни сбрасывания есть в нескольких странах и работают они по разным принципам. В башне в Китае с большой высоты сбрасывается одна капсула, которая находится внутри другой. В Германии из башни откачивается воздух, и капсула сбрасывается в вакууме. Сейчас немецкие ученые разрабатывают новый проект, в котором капсула будет сбрасываться внутри башни на прочных тросах. Скорее всего, башню в Академгородке будут проектировать по принципу немецкой. По словам Бильского, институт сотрудничает с коллегами из Германии и те готовы помочь в проектировании объекта.

«Прежде чем проводить эксперимент на МКС, нужно сделать это в более дешевых условиях, чтобы понять, что все работает, — поделился заведующий лабораторией энергоэффективных технологий для наземных и космических технологий ИТ СО РАН Вячеслав Чеверда. — Стоимость проведения экспериментов на МКС — около 5 тыс. евро за килограмм, то есть если у вас установка весит 100 килограмм, это большие деньги». Сейчас ученые СО РАН проводят эксперименты в невесомости в параболических полетах на самолете Европейского космического агентства во Франции. Переоборудованный самолет летит вверх и вниз по параболе, в верхней части которой пассажиры и экспериментальные установки около 20 секунд находятся в состоянии невесомости.

Эксперименты в невесомости необходимы для изучения испарения, кипения и теплообмена. В космических полетах используются системы жизнеобеспечения, которые зависят от этих процессов. По словам ученых, во время длительных полетов, например, на Марс, невозможно доставлять на корабль воду, поэтому она должна быть вторичной. Для этого нужны испаритель и конденсатор, работающие надежно и стабильно в условиях невесомости. Также башня сбрасывания может использоваться для экспериментов по жидкостному охлаждению электроники.

В рамках исследования один и тот же эксперимент может проводиться несколько раз с измененными параметрами. Сейчас это невозможно из-за их высокой стомости. По мнению ученых, башня сбрасывания станет востребованной не только на уровне страны, но и на международном. Они надеются на финансирование объекта по программе «Академгородок 2.0» в рамках национального проекта «Наука», а также со стороны заинтересованных инвесторов.«Сейчас мы ждем какие-то деньги на реальное проектирование. Проект сложный и собственных средств у нас на это не хватит, а Академгородок 2.0 как раз подразумевает финансирование сначала проектирования, а затем строительства», — говорит Бильский. Ученые ИВТ СО РАН считают, что при начале финансирования в 2020 году установку можно было бы построить к 2024 году.

Тайга.Инфо

Макет и фото Дарьи Руш