На космічній станції скоро з'явиться "металургійна піч" - електромагнітний левитатор MSL-EML
Астронавтам, що працює на борту Міжнародної космічної станції (МКС) незабаром доведеться періодично одягати зварювальні захисні окуляри для того, щоб захистити свої очі від яскравого світла металу, розплавленого в надрах нової наукової установки. Ця наукова установка, яка називається Materials Science Laboratory-Electromagnetic Levitator (MSL-EML), буде доставлена на космічну станцію вантажним космічним кораблем Європейського космічного агентства (ЄКА) Automated Transfer Vehicle 5 (ATV-5) "Georges Lemaitre", старт якого намічений на червень цього року. Основною задачею, яка буде вирішуватися за допомогою установки MSL-EML, стане вивчення процесів плавлення металів і складних сплавів в умовах нульової гравітації.
Більшість металів і сплавів мають микрокристаллическую структуру, розміри якої залежать від режимів плавлення і охолодження розплаву, і від розмірів якої безпосередньо залежать механічні властивості матеріалу. Як зрозумілого всім приклад можна привести процес гартування леза ножа, коли метал розігрівається до температури світіння червоним кольором і потім занурюється в воду чи спеціальний розчин. Різке і швидке охолодження змінює кристалічну мікроструктуру сталі, роблячи її більш твердою і здатною зберігати тривалий час гостроту граней.
Приклад здається досить простим, на самі процеси, що відбуваються при цьому, досить складні. Але ще більш складні процеси відбуваються, коли розплавлений метал заливають у литну форму. Відмінності температури елементів форми, металу і його щільності призводять до виникнення конвекційних потоків з-за яких вийшла відливання має неоднорідну структуру. Відбуваються в розплавленому металі процеси малоизученны, тому досі лиття з металу більше нагадує якийсь вид мистецтва, ніж технологію.
Лиття в невагомості або в умовах мікрогравітації є одним із способів уникнути неоднорідності металу при литті. У відсутність гравітації не виникає жодних конвекційних потоків, що сприяють нерівномірному розподілу тепла всередині виливки. Крім цього, при литті в невагомості немає необхідності у використанні традиційних ливарних форм, розплавлений метал може утримуватися і формуватися за допомогою магнітних полів. Це, також, повністю виключає забруднення металу з елементами матеріалу форми.
На жаль, на Землі дуже складно отримати невагомість. Всередині літака, що летить по параболічної траєкторії, невагомість виникає максимум на 20 секунд часу, чого недостатньо навіть для проведення більш-менш серйозних досліджень. І зараз єдиним місцем, де постійно існує невагомість, є космічна станція.
Установка MSL-EML, вага якої становить 360 кілограмів, була виготовлена компанією Airbus Defence and Space за сприяння фахівців ЄКА і Німецького космічного агентства DLR. Установка буде встановлена у відсіку лабораторії Columbus Laboratory і вона складається з високотемпературної камери всередині якої у вакуумі або в газовій атмосфері будуть плавитися зразки металів або сплавів. Ці зразки будуть утримуватися за допомогою магнітного поля, а нагрівання буде проводитися за допомогою індукційної котушки. Все, що відбувається зі зразками, буде фіксуватися за допомогою звичайної цифрової камери, високошвидкісної камери, здатної знімати зі швидкістю 30 тисяч кадрів в секунду, а для контролю температури зразка там встановлений пірометр.
Під час використання в камеру установки MSL-EML буде поміщений один із 18 зразків матеріалів, серед яких різні види алюмінію, міді, металевих і нікелевих сплавів. Магнітне поле буде утримувати зразки в центрі камери, не допускаючи їх контакту зі стінками, а індуктор зможе розігріти ці зразки до температури в 2 тисячі градусів за шкалою Цельсія.
Варіюючи умови нагріву та охолодження, вчені будуть визначати набори основних факторів, що впливають на властивості кінцевого матеріалу. Камери і датчики будуть проводити запис всіх процесів, що відбуваються в моменти плавлення і охолодження матеріалу зразків у всіх деталях. Всі оброблені зразки будуть відправлені на Землю для подальшого їх аналізу, який дозволить виявити відмінності і збіги практичних результатів з результатами численних комп'ютерних моделювань.
Результати досліджень, проведених за допомогою установки MSL-EML, будуть мати чисто практичне застосування. На їх основі будуть розроблені нові технології високотемпературної обробки і лиття, за допомогою яких на Землі можна буде проводити великі кількості деяких унікальних металів і сплавів, крихітні кількості яких можна було отримати раніше тільки в космосі.