Процесс затвердевания кристаллов в космосе подвержен влиянию микрогравитации. И хотя она была мала в этом эксперименте, но все же на внешней поверхности образца можно заметить следы воздействия радиальной составляющей микрогравитации, зарегистрированной в ходе эксперимента. Оказывается, что поле тяготения порядка 10^-6 g достаточно, чтобы повлиять на конфигурацию атомов в исследованной расплавленной системе, а также на процесс затвердевания.

В экспериментах «Сирена» (СССР-ПНР) изучался процесс направленной кристаллизации в полупроводниковых материалах, получаемых из жидкой фазы в условиях невесомости. В качестве исследуемых материалов в экспериментах «Сирена» были выбраны тройные полупроводники «ртуть — кадмий — теллур» (CdHgTe), «кадмий-ртуть — селен» (CdHgSe) и «свинец — селен — теллур»;(PbSeTe).

Эти материалы в течение многих лет тщательно изучаются в Институте физики Академии наук ПНР, сотрудники которого много сделали для выяснения физических характеристик материалов этого типа и возможностей их применения. Полупроводники, в состав которых входят названные элементы, характеризуются высокой чувствительностью и малой инерционностью. В настоящее время они считаются наилучшими детекторами инфракрасного излучения, способными работать в диапазоне длин волн около 10 мкм, т. е. в пределах так называемого «атмосферного окна». Имеет перспективы и использование этих материалов в лазерных устройствах с перестраиваемой частотой.

Однако получение однородных полупроводниковых сплавов данного типа в наземных условиях существенно затрудняется процессами конвекции, обусловленной действием силы тяжести, поскольку химические элементы — ртуть, кадмий и теллур — значительно отличаются по массе. В свою очередь, однородность и структурное совершенство полупроводниковых материалов, полученных в космосе, обусловливает их особые физические свойства и возможности применения. Если в лабораторных условиях на Земле достигается степень однородности кристаллов этого типа порядка 12 %, то полупроводники, полученные в экспериментах «Сирена» в условиях невесомости, характеризуются значительно более высокой степенью однородности — около 60 %.

Следует отметить, что эксперимент по направленной кристаллизации тройного полупроводника «ртуть — кадмий — теллур» из жидкой фазы проводился дважды, поскольку в распоряжении международного экипажа находились две ампулы с исследуемыми веществами. Первая ампула была нагрета до температуры около 900 °C, после чего она подверглась регулируемому охлаждению со скоростью 11,4 °C в час; на проведение эксперимента ушло 46 с. Затем эксперимент был повторен, но с иной программой охлаждения: вторая ампула хотя и нагревалась аналогичным образом, но охлаждалась пассивно, т. е. без автоматической регулировки температуры. В этом случае скорость снижения температуры была значительно выше — порядка 145 °C в час; эксперимент закончился через 16,5 ч.

Технологические исследования «Беролина» (СССР— ГДР) представляли собой, по сути дела, серию из шести экспериментов. Эти эксперименты были подготовлены совместно с советскими специалистами учеными Университета имени А. Гумбольдта, Институтом электроники Академии наук ГДР и специалистами завода «Шотт и Ген» в Йене.

Из шести экспериментов серии «Беролина» четыре были посвящены плавкам и последующему выращиванию полупроводниковых монокристаллов. Это одна из ключевых задач космического материаловедения. Требуемая для промышленного получения изделий современной электроники структура полупроводников может быть получена только специально разработанным способом выращивания кристаллов, а условия космоса для такого производства весьма благоприятны. Освоение процессов выращивания кристаллов и создание новых материалов с заданными свойствами — необходимые предпосылки для быстрого развития промышленности полупроводников и полупроводниковой электроники.

В качестве исходных материалов в этих экспериментах были выбраны кристаллы полупроводниковых соединений «свинец — теллур» и «висмут — сурьма». Из первого соединения изготавливаются полупроводниковые диоды для лазеров; во втором соединении оба вещества химически сходны, но даже небольшие изменения их концентрации в кристалле приводят к значительным изменениям его электрофизических свойств.

При проведении экспериментов принимались особые меры для поддержания микрогравитации на уровне не более 10^-6 g: в это время не допускалось включение двигателей, а если печи установок уже работали, то космонавты не должны были делать гимнастических упражнений, в частности пользоваться велоэргометром и бегущей дорожкой, и даже перемещения космонавтов были ограничены, поскольку любые сотрясения установки ухудшали бы рост кристаллов.

Специалисты ожидали, что в результате будут получены материалы с более равномерным составом смешиваемых компонентов и более совершенной структурой монокристаллов. И эти ожидания в целом оправдались.

Пятый эксперимент в серии «Беролина» — плавка (в течение 20 ч) и последующая кристаллизация бериллиево-фторидного оптического стекла на установке «Сплав». Специалисты стекольного завода «Шотт и Ген» (ГДР) связывали с этим экспериментом большие надежды. Дела в том, что направленными технологическими процессами можно улучшить качество высокоточных оптических приборов, и исследования полученных образцов показали большую ценность данного эксперимента. В частности, было установлено, что, в то время как на Земле наблюдающаяся аномалия в распределении пузырей при плавлении такого стекла имеет однородное распределение вследствие термической конвенции, в условиях микрогравитации пузыри располагаются вдоль оси цилиндрического образца винтообразно.

Шестой эксперимент в серии «Беролина» должен был дать информацию об условиях «космической» кристаллизации, подтвердить правильность и применимость термодинамических расчетов для получения материалов выделением их из газообразной фазы. В эксперименте, таким образом, изучались основополагающие физико-химические процессы в газообразном веществе.

В качестве исходного вещества был взят германий, превращающийся в газ под воздействием высоких температур и переносимый веществом-носителем в область низких температур. Специалисты Центрального института физики твердого тела в Дрездене (ГДР) подготовили контейнер с пятью ампулами, заполненными германием и веществом-носителем (йодом), в которых обеспечивался химический перенос при закладке контейнера в установку «Сплав» (при пяти определенных давлениях газа).

В эксперименте предполагалось проверить важную научную гипотезу. Дело в том, что в аналогичных экспериментах в наземных условиях перемещение вещества через газообразную среду осуществляется диффузионными и конвективными потоками, причем доля конвекции возрастает при повышении давления газа. Однако оба вида потоков в условиях земного тяготения разделить трудно. В космических условиях конвекция, обусловленная силой тяжести, очень мала, диффузия доминирует и ее влияние может быть хорошо изучено при получении кристаллов методом химического переноса.

Эксперимент дал фундаментальные результаты, которые подтвердили ожидания ученых. Было установлено, что в космосе массовый перенос при более высоком давлении газа (до 0,7 МПа) определяется чистой диффузией, при этом результаты эксперимента соответствуют термодинамическим расчетам.

В аналогичном наземном эксперименте вследствие конвекции при давлении выше 0,3 МПа происходит ускоренный перенос массы. Сравнением скоростей переноса впервые были сделаны однозначные выводы о доле переноса (в наземных и космических условиях), обусловленного диффузией и конвекцией. Эти выводы корректируют заключения, сделанные, в частности, по данным американских экспедиций на «Скайлэбе» и во время полета космических кораблей «Союз» и «Аполлон».

Мы довольно подробно остановились на первых трех сериях экспериментов в области космического материаловедения, чтобы читатели имели ясное представление не только о существе этих экспериментов, но и о типичном характере такого рода опытов и условиях их проведения. Теперь коротко остановимся на остальных технологических исследованиях, проведенных международными экипажами.