http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=a4455559-eeb1-4d38-951f-be09f0c3c7ac&print=1
© 2024 Российская академия наук

В открытом космосе построят завод

Несмотря на разговоры о стремительном истощении запасов углеводородного топлива на Земле и необходимости срочного освоения альтернативных источников энергии, солнечные батареи до сих пор не получили в России широкого применения. Заведующий отделом роста и структуры полупроводниковых материалов Института физики полупроводников СО РАН д.ф.-м.н. Олег Пчеляков уверен, что эту ситуацию исправят вакуумные космические лаборатории. Над этим проектом вместе с Университетом Хьюстона сегодня работает Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, который с 2003 г. имеет лицензию на проведение работ в открытом космосе.

Справка STRF:

Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук создан в 1964 году на основе объединения Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники СО АН СССР и Института радиофизики и электроники СО АН СССР. В институте сильны традиции основателя школы теоретической физики в Новосибирске профессора Юрия Румера — сподвижника Нобелевского лауреата академика Ландау, директора Института радиофизики и электроники, на основе которого академиком Анатолием Ржановым был создан ИФП СО РАН. Здесь под руководством второго директора Константина Свиташева были разработаны матричные фотоприемники инфракрасного диапазона, электронно-оптические преобразователи, СВЧ-транзисторы, квантовые интерферометры, нанотранзисторы. В 90-е гг. институт возглавил академик Александр Асеев, которому удалось не только сохранить кадры и направления исследований, но и вывести его в лидеры по объему контрактных средств за счет крупных фундаментальных и прикладных проектов. Этот позитивный опыт возрождения крупной организации сыграл решающую роль на выборах 2008 года, где Александр Асеев был избран Председателем Президиума СО РАН и вице-президентом РАН. Ученые пришли к выводу, что технически и экономически выгодно выращивать кристаллы для солнечных батарей в открытом космосе, прикрепив оборудование к борту МКС или любого автономного космического объекта Олег Пчеляков, заведующий отделом роста и структуры полупроводниковых материалов Института физики полупроводников СО РАН Большинство производимых в мире солнечных батарей на основе кремния имеют КПД не выше 15-16%. Жесткие ограничения на уровень производительности солнечных элементов батарей накладывает не только толщина слоя полупроводника, но и состав пленки, а также качество (чистота) выращиваемых кристаллов кремния. Улучшить эти характеристики можно только получая материал для батарей в очень чистых условиях, максимально приближенных к идеальному вакууму. Это позволит довести КПД преобразования света в электричество до 30%, а, значит, вдвое уменьшить рабочую поверхность батарей при той же мощности.

Строить вакуумные камеры на Земле дорого и неэффективно – нужны особо чистые помещения в сотни квадратных метров и оборудование почти на миллиард долларов. При этом, единожды распылив в закрытой вакуумной камере, например, арсенид галлия, в ней уже нельзя будет когда-либо вырастить кристаллы кремния и германия. Мышьяк, входящий в состав первого соединения, осаждается на стенках камеры и испаряясь даже при комнатной температуре изменит свойства второго материала так, что полученные кристаллы будут иметь свойства не полупроводника, а металла.

Инициатором организации космических лабораторий стал потомок русских эмигрантов первой волны, а ныне – заслуженный профессор университета Хьюстона по перспективным материалам, один из научных экспертов НАСА Алекс Игнатьев. Космическая лаборатория – это вакуумная камера без стенок в открытом космосе, прикрепленная к борту станции снаружи. Единственная стенка лаборатории – металлический экран, ограждающий оборудование от микрометеоритов и набегающих газовых потоков.

Первые опыты работы космической лаборатории будут проводиться в лабораториях ИФП СО РАН на имитаторе космического вакуума уже в 2010 году – следующим шагом станет выход в открытый космос на МКС Справка STRF:

Идею создания космических лабораторий еще в 60-е годы впервые выдвинул американец славянского происхождения по фамилии Костоф. Он произвел расчеты, демонстрирующие, что на первой космической скорости за летящим в Космосе предметом образуется область, где практически нет вещества. Таким образом Костоф сформулировал концепцию космической вакуумной лаборатории. Фактически размер такой лаборатории может быть любым – достаточно прикрепить к космической станции требуемого диаметра экран наподобие зонта. В те годы никто не думал о том, что такая лаборатория предоставляет идеальные условия для выращивания чистых кристаллических структур, поэтому применения изобретению Костова не нашлось. К его идее вновь обратились в конце 80-х гг., а в 90-х уже начались первые полеты с такими лабораториями на борту.

Первый построенный в США аппарат для выращивания кремниевых пленок в космосе весил более 3,5 т, а стоимость выведения такого груза на орбиту исчислялась миллионами долларов. До трагедии на шаттле «Колумбия» 2003 года он успел реализовать три эксперимента. Сегодня с университетом Хьюстона плотно сотрудничают сотрудники Российской Академии Наук. В конце октября Олег Пчеляков и Алекс Игнатьев организовали международный Симпозиум в Хьюстоне – «Нанотехнологии, энергетика и космос» и возглавили Оргкомитет а в начале 2010 года в ИФП СО РАН ожидают получить от американских коллег испытанную в полетах бортовую электронику для своего космического лабораторного оборудования.

– Идея образования вакуума за движущимся предметом принадлежит Аристотелю, который предположил, что камень, выпущенный из пращи, расталкивает молекулы и образуется пустое пространство – вакуум. После реализации проекта мы готовы ему заплатить за использование открытия, – смеется Олег Пчеляков.

Финансовую поддержку российской части проекта сегодня оказывает ракетно-космическая корпорация «Энергия», но в будущем часть затрат Россия планирует возложить на частных инвесторов. По сути, проект интересен всему мировому научному сообществу, поскольку в таких космических лабораториях можно не только выращивать плёночные структуры. В их сверхчистых условиях можно производить глубокую очистку материалов, создавать металлические пленки, диэлектрики и фоточувствительные среды.

Окупаемость вакуумного производства в космосе проверили эксперты Германии и Франции, куда российские ученые в поиске инвесторов направили бизнес-план проекта Справка STRF:

ФГУП «ЦНИИмаш» (г.Королев) отвечает за системный анализ, проектно-поисковые исследования и разработки программ развития ракетно-космической техники и космической деятельности России, отработку ракетно-космической техники, решение научно-технических проблем аэрогазодинамики, тепломассообмена, прочности, динамики, стандартизации и унификации ракетно-космических систем. Институт управляет полетами космических аппаратов и орбитальных станций. Сегодня ЦНИИмаш является одной из базовых организаций оборонно-промышленного комплекса и возглавляет работы по научно-техническому сопровождению приоритетных образцов вооружения. Здесь расположен Центр управления полетами, откуда ведется управление российским сегментом МКС, космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли «Ресурс-ДК1», спутником научного назначения «Коронас-Фотон» и поддерживается навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. С помощью фотолитографии была сделана сотовая структура аналогичная сетчатке глаза и нанесена на специальный гель, который растворяется в биологической жидкости внутри глазного яблока человека. Разработанная технология позволит лечить распространенное заболевание – отслоение глазной сетчатки. Первые опыты на животных завершились успехом – впереди первые клинические испытания на человеке.

Проект поддерживает самый крупный НИИ в России – ФГУП «ЦНИИмаш».

– Для выхода в открытый космос мы совместно с ЦНИИмаш разрабатываем проект орбитального автономного технологического корабля «ОКА-Т», – сообщает Олег Пчеляков. – Пока он существует только в чертежах, но обещает быть построен к 2015 году. На нем мы разместим уже более серьезное производство, где будут выращиваться наши кремниевые пластины и в баллистических капсулах возвращаться на Землю. Это будет небольшой орбитальный завод, вакуумное производство. Над проектом работают ведущие специалисты нашей страны по микроэлектронике, среди которых – академик Камиль Валиев, организатор кремниевой долины в Зеленограде, а также его ближайший соратник – директор МФТИ академик Александр Орликовский.

Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН подписал меморандум о сотрудничестве, в этом году зарегистрирован совместный российско-американский патент на устройство для выращивания полупроводниковых пленок в космосе Справка STRF:

Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук создан в 1964 году на основе объединения Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники СО АН СССР и Института радиофизики и электроники СО АН СССР. В институте сильны традиции основателя школы теоретической физики в Новосибирске профессора Юрия Румера — сподвижника Нобелевского лауреата академика Ландау, директора Института радиофизики и электроники, на основе которого академиком Анатолием Ржановым был создан ИФП СО РАН. Здесь под руководством второго директора Константина Свиташева были разработаны матричные фотоприемники инфракрасного диапазона, электронно-оптические преобразователи, СВЧ-транзисторы, квантовые интерферометры, нанотранзисторы. В 90-е гг. институт возглавил академик Александр Асеев, которому удалось не только сохранить кадры и направления исследований, но и вывести его в лидеры по объему контрактных средств за счет крупных фундаментальных и прикладных проектов. Этот позитивный опыт возрождения крупной организации сыграл решающую роль на выборах 2008 года, где Александр Асеев был избран Председателем Президиума СО РАН и вице-президентом РАН. Олег Пчеляков заверил, что сроки окупаемости для производства такого масштаба незначительные. Между тем, интерес рынка высокотехнологичной продукции к полупроводниковым материалам для солнечных батарей стремительно растет. Инициаторы проекта убеждены, что подняв вакуумное производство в космос, человечеству удастся шагнуть по уровню технологий на многие десятки лет вперед. Согласие на участие в международном проекте наряду с коллегами из США уже дали ученые из Казахстана, бывших стран СЭВ, Японии, Германии, Франции и Италии.