Как российские инженеры создали для космоса машину, которая печатает идеальные кристаллы, и почему на Земле так не получится

Земля — отстойное место для создания идеальных кристаллов. Серьёзно. Поэтому наши учёные отправили на МКС специальную установку, чтобы выращивать полупроводники прямо в космическом вакууме. Как устроен атомный 3D-принтер для орбиты и зачем он нужен?

Современный мир стоит на крошечных кристаллах. В смартфонах, в компах, в авто, да даже в умных лампочках — везде есть полупроводники. И чем чище, чем идеальнее структура у такого кристалла, тем круче и надёжнее будет работать техника.

Только вот мощности растут, а вместе с ними — нагрев и прожорливость. Мы упираемся в потолок. Одна из главных причин — ограничения самих полупроводников.

playground.ruhttps://i.playground.ru/p/xloqAS9H5zfpOdJbVaoHLg.jpeg

За эту чистоту инженеры бьются десятилетиями, вот и сейчас придумали выращивать их прямо в космосе. Но зачем это нужно, если на Земле у нас уже есть мощные лаборатории?

Проще говоря — чем космический вакуум так хорош?

Почему на Земле не получается?

Сначала, как обычно, чтобы понять весь ужас ситуации, нужно разобраться, как эти суперкристаллы вообще выращивают.

Метод, которым это делают, называется «молекулярно-лучевая эпитаксия» (МЛЭ). Если по-простому, то в специальной камере создают глубочайший вакуум, а потом из разных источников напыляют на подложку слой за слоем атомы нужных веществ. Получается тончайшая плёнка с заданной структурой.

Схема наземной установки для молекулярно-лучевой эпитаксииИФПС СО РАН

Ключевое слово здесь — вакуум. Чтобы на ваш идеальный кристалл случайно не прилип какой-нибудь лишний атом (например, кислорода), нужна стерильная чистота. На Земле для этого строят огромные вакуумные камеры, из которых месяцами откачивают воздух.

Это дорого, сложно и всё равно не идеально. Но и так тоже получается выращивать кристаллы, что там порой бывает лишь один посторонний атом на миллиард!

А вот в космосе идеальный вакуум — бесплатный и повсюду. Не нужно гигантских насосов и герметичных стен. Можно просто открыть камеру наружу, и вот она — среда, в сотни раз чище, чем в самой навороченной земной лаборатории.

Космическая установка КНА МЛЭ для роста полупроводников (слева) и ведущий инженер ИФП СО РАН Дмитрий Придачин; и такая же, но наземная (справа)ИФПС СО РАН

Именно эта мысль и легла в основу проекта «Экран-М», разработанного в новосибирском Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН по заказу РКК «Энергия».

Как устроен «Экран‑М»

Казалось бы, всё просто: бери земную установку, запускай на орбиту и пользуйся бесплатным вакуумом. Но не тут-то было. В космосе свои законы, и главный враг — невесомость. Поэтому учёные из ИФП СО РАН проектировали «Экран‑М» буквально с нуля.

ИФПС СО РАН

Оборудование пришлось сделать сверхкомпактным и лёгким — лишний килограмм на орбите очень дорог. При этом весь прибор должен работать в жёстких условиях: космическая радиация, сильные перепады температур и вибрации при старте-спуске.

Задача почти как «впихнуть невпихуемое»: упаковать полноценную земную лабораторию для МЛЭ в компактный модуль.

Например, механизм передачи подложек решено сделать по-другому: если на Земле пластину просто двигают в вакууме, то на орбите добавили особый зажим, чтобы не потерять её в невесомости. А самое интересное — микроскопическая мембрана над источниками галлия и мышьяка.

Установка внутри: четыре молекулярных источника и подложкаИФПС СО РАН

На Земле при нагреве металл превращается в пар и оседает тонкой плёнкой на подложке. В невесомости же капли расплавленного металла собираются в шарики и разлетаются по камере, унося часть материала.

Съёмная кассета с подложкамиИФПС СО РАН Элементы для съёма кассетыИФПС СО РАН

Мембрана с крохотными отверстиями решает эту проблему: капельки задерживаются за счёт поверхностного натяжения, а молекулы металла проходят через отверстия в виде пара. Так на подложку поступают атомы и синтезируется ровная кристаллическая плёнка арсенида галлия.

Осталось дело за космонавтами: им нужно лишь установить аппарат на специальной стойке, загрузить кассету с шестью подложками и запустить процесс. И вот, 11 сентября 2025 года грузовой корабль «Прогресс МС-32» доставил «Экран-М» на МКС.

Космонавт Олег Платонов демонстрирует установкуРоскосмос

По плану, первый рост кристаллов будет идти примерно две недели — за это время на подложках вырастет полупроводниковая плёнка. Потом кассету сменят и проведут второй двухнедельный цикл.

Затем обе кассеты с готовыми кристаллами вернут на Землю, где учёные тщательно измерят толщину плёнок, проверят идеальность кристаллической решётки и другие параметры — сравнив всё это с образцами, полученными на земле.

А главное, ответят на главный вопрос: «А был ли профит?». Действительно ли космические кристаллы получаются чище и качественнее?

imgflip.com А дальше-то что?

А дальше — технологический суверенитет, ради которого всё и затеяно. Если эксперимент докажет свою эффективность, можно будет говорить о настоящем производстве на орбите.

Во-первых, это сверхчистые материалы для фотоники и квантовых компьютеров, которые на Земле сделать просто нерентабельно или невозможно.

Электронный блок управленияИФПС СО РАН

Во-вторых, это новые поколения солнечных батарей, чья эффективность взлетит благодаря безупречной кристаллической структуре.

Ну и в-третьих, работа с токсичными материалами, утилизация которых в космосе решается сама собой — вакуум всё поглощает без вреда для экологии.

Человечество стремится в космос и вопрос организации внеземного производства материалов и изделий, необходимых для деятельности на орбите или при полётах к другим планетам, неизбежно встанет.

Константин Фрицлер замглавного конструктора проекта, научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук

Кстати, сама идея не нова. Ещё в 90-х NASA под руководством профессора Алекса Игнатьева возило на шаттлах подобные эксперименты: у них тоже получались качественные плёнки, но после катастрофы шаттла «Колумбия» в 2003 году программу свернули.

У нас же к этой теме была своя история: учёные ИФП СО РАН ещё в 1996 году начали работать с МЛЭ, и первые российские установки по этому методу сделали именно там. Ну а сегодня наши специалисты собирают эту технологию в компактном виде и выносят на орбиту.

Конечно, прямо сейчас никто не собирается разворачивать на станции полноценный завод. Это первый и самый главный этап — проба пера, отработка технологии.

Софья Сандурская / ТАСС

Ну а когда-нибудь потом, в будущем (надеюсь, не далёком) такое производство могут развернуть и на нашей станции РОС. Учёные из ИФП СО РАН тоже смотрят вперёд — обсуждают, какие ещё материалы стоит выращивать в космосе.

По сути-то это реальный шанс обеспечить себя орбитальными технологиями и не зависеть от импортных поставок.

ferra.ru

Тем более, что вопрос организации внеземного производства — это уже не что-то там, далеко и не скоро, а инженерная задача ближайших десятилетий. И этот проект — один из первых, но очень важных шагов в этом направлении.

Такие дела.

Источник Читайте также... Цены поехали вверх: АвтоВАЗ переписал прайсы почти на всю линейку Lada и продолжил действие скидок Почему категорически нельзя заливать моторное масло в масляный фильтр Продажи Mitsubishi в США обвалились: один лишь Toyota Corolla Cross обогнал всю линейку Mitsubishi в США, включая Outlander и Eclipse Cross Toyota максимально прокачала Yaris: представлен полноприводный гоночный GR Yaris Morizo RR с коробкой передач Direct Automatic Porsche признала ошибку: не нужно было отказываться от бензинового Macan Genesis G70 не собирается уходить на покой: среднеразмерный седан от премиум-бренда Hyundai готовится к рестайлингу Загрузить еще...  

FiNE NEWS