A BeaLucától az űrkemencéig és tovább
A BeaLuca űr-anyagtudományi program, 1979–1984
Közreműködő intézetek (akkori nevükön): Vasipari Kutatóintézet (koordinátor); Nehézipari Műszaki Egyetem; Űrkutatási Intézet, Moszkva (Insztyitut Koszmicseszkih Isszledovanyij, IKI)
Összeállította: Roósz András akadémikus, professor emeritus (Nehézipari Műszaki Egyetem; ma: Miskolci Egyetem)
A BeaLuca űr-anyagtudományi kísérletek
1979 őszén a Vasipari Kutatóintézet felkérést kapott, hogy készítsen elő anyagtudományi kísérleteket, amelyeket a tervezett közös magyar–szovjet űrrepülés során fog a magyar űrhajós végrehajtani a Szaljut–6 űrállomáson. Prof. dr. Fuchs Erik vezetésével két különböző típusú anyagtudományi kísérlet megtervezésére és előkészítésére került sor.
Az egyik sorozatban azt vizsgálták, hogy mikrogravitációs körülmények között, ahol nem alakul ki áramlás a különböző koncentrációjú és hőmérsékletű, ennek következtében különböző sűrűségű olvadékrészek között, hogyan mozognak (diffundálnak) az atomok. Ennek érdekében egy rézcsőbe alumíniumrudat helyeztek úgy, hogy a két fém szorosan illeszkedett. A próbákat azbesztpapírral vették körül, és kvarccsőbe helyezték (az olvadt alumínium a kvarccal reakcióba lépett volna, tönkretéve a próbát, ezért kellett elválasztani őket egymástól), majd vákuum alatt a kvarccsövet leforrasztották.
Az így előkészített próba saválló acélkapszulába került. A próbát a két fém olvadáspontja alatti hőmérsékletre felmelegítve, az érintkezésnél a rézatomok átléptek a szilárd alumíniumba, az alumíniumatomok pedig a szilárd rézbe, kialakítva egy réz-alumínium ötvözetet, melynek az olvadáspontja alacsonyabb volt a vizsgálati hőmérsékletnél. Ennek eredményeként ez az átmeneti rész megolvadt. Az idő előrehaladtával további réz-, illetve alumíniumatomok oldódtak be az olvadékba, és mozogtak (diffundáltak) egymással szemben. A megolvadt rétegben igen jelentős koncentrációkülönbség alakult ki, a réz oldalán az alumínium, míg az alumínium oldalán a réz koncentrációja volt alacsony. Mivel a réz sűrűsége (8,6 g/cm3) sokkal nagyobb, mint az alumíniumé (2,7 g/cm3), az olvadékban igen jelentős volt a sűrűségkülönbség. Földi körülmények között ez a sűrűségkülönbség áramlást indított, így nem lehetett a diffúziót külön vizsgálni.
A Krisztall kemencében két kapszulában négy, a Szplav kemencében két kísérletet végeztek. A Krisztall és a Szplav kemencében végzett egyik kísérlet próbadarabját a visszaérkezés után, a konténerek kibontását követően a 6. és 7. ábra szemlélteti. A próbák mikroszerkezetét fénymikroszkóppal és pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgálták. Mivel az űrállomáson végzett kísérletek során áramlás nem alakult ki, a próbák szerkezetének vizsgálata lehetővé tette az ún. diffúziós állandó (D) meghatározását, mely értéket később fel lehetett használni a kristályosodási folyamatok matematikai szimulálásánál. (Egy érdekesség az előkészületekből: Először az alumíniumrúd közepében kialakított 5 mm átmérőjű csőbe helyeztek rézrudat, de a kísérletek során nem következett be a beolvadás. Elég hosszú idő telt el, mire rájöttek, hogy az alumíniumnak nagyobb a hőtágulási együtthatója, mint a réznek, ezért a felmelegítés során az alumínium letágult a rézrúdról, és így megszűnt a kapcsolat a két anyag között. Fordított elrendezésnél a felhevítés során az alumíniumrúd belenyomódott a rézcső felületébe, elősegítve a két anyag közötti szoros kapcsolat kialakulását).
A BeaLuca másik kísérletsorozatának egyik célja annak megállapítása volt, hogyan befolyásolja egy ún. szilárdoldat-típusú ötvözetnek a kristályosodáskor kialakuló mikroszerkezetét az áramlás. Másik célja a csak diffúziót figyelembe vevő kristályosodási folyamat számítására kidolgozott modell ellenőrzése volt. A választott ötvözet – nem véletlenül – ez esetben is alumíniumot és rezet tartalmazott (Al-4 tömeg% Cu). Ez az ötvözet (0,5–1,0% Mg-ot is tartalmazva) volt az első nagy szilárdságú alumíniumötvözet (DURAL). Az ötvözet egyensúlyban (nagyon lassú hűlés után) a kristályosodás végén csak homogén alumínium – réz szilárd oldatot tartalmaz (az alumínium kristályrácsában oldva helyezkednek el a rézatomok). A kristályosodás azonban a gyakorlatban viszonylag gyorsan, 1–100 K/s lehűlési sebességgel történik, aminek következtében inhomogén (a dendrit szélén és közepén más a koncentráció, a mikrodúsulás) alumíniumdendritekből álló szerkezet alakul ki, a kristályosodás pedig alumíniumot és Al2Cu-fázist egyszerre tartalmazó, ún. eutektikum megdermedésével fejeződik be.
A Krisztall kemencében két kapszulában négy, a Szplav kemencében két kísérletet végeztek. A Krisztall és a Szplav kemencében végzett egyik kísérlet próbadarabját a visszaérkezés után, a konténerek kibontását követően az ábrán láthatjuk. A próbák mikroszerkezetét fénymikroszkóppal és pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgálták.
Összehasonlítva a Földön és az űrállomáson végrehajtott kísérletek eredményeit megállapították, hogy a földi körülmények között kialakuló áramlás jelentősen befolyásolja a dendrites szerkezet jellemző méreteit és a mikrodúsulást, az eutektikum mennyiségét és az ún. makrodúsulást (viszonylag nagy távolságban kialakuló koncentrációkülönbség). Makrodúsulás csak a Földön kristályosított próbákban alakult ki (azaz valóban nem volt áramlás az űrállomáson végzett kristályosítás során), a földi próbák dendrites szerkezete durvább volt. A próbában levő hidrogén kristályosodás közben felszabadult, buborékokat képzett, a buborékok mikrogravitációs körülmények között bezáródtak a próbába, míg földi körülmények között kiszabadultak az olvadékból.
A kísérletek eredményeit összehasonlítva az áramlás hatását nem tartalmazó szimuláció eredményeivel megállapították, hogy a fizikai modellen alapuló matematikai modell megfelelő pontossággal írja le a kristályosodás folyamatát.
Az anyagtudományi kutatásokat arra alkalmas csapatok (teamek) végzik. Van, aki a kísérletek előkészítésében és végrehajtásában (földi kísérleteknél Buza Gábor, űrkísérleteknél Farkas Bertalan), van, aki a kísérletek kiértékelésénél (Bobok György, Uray Mártonné, Teleszky Ilona), és van, aki azok értelmezésében, szimulációk készítésében (Roósz András) végzett értékes munkát Fuchs Erik professzor irányítása mellett.
Farkas Bertalan és Magyari Béla az űrutazás előtt tájékozódott a BeaLuca kísérletekről a Vasipari Kutatóintézetben. Az űrutazás után Valerij Kubaszovval együtt vettek részt egy találkozón a kutatócsoport tagjaival.
Magyari Béla a kísérletek kiértékeléséből szerzett egyetemi doktori címet.
(Még egy érdekesség: Amikor az űrutazás során tartott sajtótájékoztatón megkérdezték Fuchs professzor urat, hogy mi a neve a projektnek, hirtelen támad ötlet alapján azt mondta, hogy BeaLuca. Bea Bobok György, Luca Roósz András feleségének a neve.)
Az Eötvös program, 1979–1986
Közreműködő intézetek (akkori nevükön): MTA Központi Fizikai Kutatóintézet (koordinátor); MTA Műszaki Fizikai Kutatóintézet; Űrkutatási Intézet, Moszkva (Insztyitut Koszmicseszkih Isszledovanyij, IKI)
A minél tökéletesebb szerkezetű anyagok kiemelt szerepet játszanak szinte minden gyártási folyamatban. A szerkezeti tökéletesség ugyanis befolyásolja az anyagok szinte valamennyi tulajdonságát, legyen ez mechanikai követelmény, elektromos vezetőképesség, mágneses viselkedés, hővezetés, kötődés („hegedés”) más anyagokhoz stb. A „tökéletes” szervetlen, elsősorban fémes anyagok előállításának legsikeresebb eljárása az olvadékból való kristályosítás. Ez indította el a rézkorszakot, a vaskorszakot, és lett a 20. században fontos pl. a mikroelektronika alapjául szolgáló félvezető anyagok előállításában is, ahol az elektromos vezetés kézbentarthatósága a kulcskérdés. A folyamatban a földfelszínen uralkodó gravitációs gyorsulás (g) számított elkerülhetetlen körülménynek évezredekig – juttatta el a tudást pl. a harangöntés csodájáig. Az 1 g befolyásolta pl. a nagyobb atomtömegű komponensek „ülepedését” is. Az űrhajózás kínálta lehetőségek előtt csak az ún. ejtőtornyok, bányaaknák, később speciális repülési pályák adtak néhány tíz másodperces lehetőséget a súlytalanság elérésére modellkísérletekben.
Az űrhajózás lehetőségei mellett valamennyi „űrhatalom” programjába hamarosan belekerültek a súlytalanságbeli kristálynövesztés témái. A NASA témái között a félvezető InSb kristály növesztése vált ismert eredménnyé. A Szovjetunió két űrkemencét fejlesztett és juttatott az űrbe, majd bocsátott az Interkozmosz program rendelkezésére. Ezek néhány tíz köbcentiméter, nem túl magas hőmérsékleten olvadó-szilárduló anyagok kristályosítására voltak alkalmasak. Az egyik, a Szplav nevű űrkemence látszott félvezetőkristályok növesztésére alkalmasnak, amelyben a mozgatómechanizmus lehetővé tette az olvadék-szilárd határfelület lassú eltolását, hogy a behelyezett kristálymag „megtanítsa” az olvadékot a tökéletes rendeződésre. A kemence műszaki paraméterei miatt csak alacsonyabb olvadáspontú és az alkalmazások szempontjából inkább csak perspektivikus félvezetők növesztésére volt lehetőség. Ezek a periódusos rendszer III. és V. oszlopának elemeiből képződő vegyületek kristályai voltak. A programot, az „ötvözésre” is utalva, Eötvös programnak neveztük el.
A magyar fél által javasolt három kísérlet:
- nagyfrekvenciás félvezető eszközök (tranzisztorok) készítésére alkalmas GaAs kristálylemez növesztése (olcsó), ún. „félszigetelő” GaAs felszínére folyadékfázisú epitaxiás módszerrel (LPE);
- GaSb mag nélküli kristályosítása (e két kísérlet akkor újdonság volt);
- kontrollképpen a NASA InSb-növesztési űrkísérletének megismétlése.
A kapszulák kifejlesztését, azaz az űrkapszulázást, biztonságtechnikát, a kapcsolattartást a Központi Fizikai Kutatóintézet (KFKI) kutatói, a kristályosítandó anyagok előállítását a Műszaki Fizikai Kutatóintézet (MFKI) munkatársai vállalták.
A kemence nominális hőmérsékletének és ennek a kapszulák belső hőmérsékletével való összehangolására nem volt lehetőségünk, ezért az egyik kísérletben, ahol ez különösen kritikus lett volna (GaAs-növesztés), „elszaladt” a hőmérséklet. A másik két kristály azonban kiváló minőségben „nőtt” meg. GaSb-ot az Eötvös kísérletben növesztett először az űrtudomány. A két sikeresen növesztett mintát a két kiválóan felszerelt intézetben, valamennyi rendelkezésre álló eszközzel, módszerrel analizálták. Az eredményekről 17 cikk, előadás és egy kandidátusi disszertáció (Gyuró Imre) született. Az eredményeket ma az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete (EK MFA) kiállításon mutatja be.
Néhány érdekesség:
A GaSb mag nélküli növesztése úgy volt lehetséges, hogy a kvarckapszula elvékonyított csúcsa „tanította meg” az olvadékot a rendeződésre, így jött létre két illeszkedő egykristály. Észlelhető volt az a jelenség is, hogy az olvadt anyag felületi feszültsége révén kiemelkedések jöttek létre, amelyek a kapszulától való távtartóként szerepeltek a folyamatban.
Következtetések. Félvezető kristályok az űrbéli körülmények között hibátlan kristályokat eredményeznek. A költségek, méretkorlátok miatt azonban csak kiemelkedően fontos, egyedi alkatrészek előállításánál „éri meg” a súlytalanság okozta minőségnövekedés kihasználása, pl. orvosi érdekességű szerves magkristályok előállításánál. Külön figyelmet kell arra fordítani, hogy az űrhajó gépeinek, pl. klímaberendezéseinek saját rezgéséből eredő „mikro-g” gyorsulások zavaróan befolyásolják a kristályminőséget. Erre gondoltunk a BeaLuca program munkatársaival, és kikötöttük, hogy pl. a kristálynövekedés folyamatai alatt az űrhajósok nem tornászhatnak. Ennek ellenére ez a gondolat vezette el a BeaLuca vezetőjét, Fuchs Eriket a szoftvervezérelt, mozgó alkatrész nélküli űrkemence ötletéhez és megvalósításához.
A program utóéletéről mutatunk be néhány korabeli fényképet az űrhajósok KFKI-beli látogatásáról 1982-ben, amikor az eredményeket mutattuk be V. Ny. Kubaszovnak, Farkas Bertalannak és Magyari Bélának, valamint a NASA küldöttségének 1984-es látogatásáról (Sally Ride díszvendégként), amikor a NASA-val közös folytatás lehetőségeit beszéltük meg.
Összeállította: Prof. emer. Gyulai József (KFKI; ma: Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai Intézet)
