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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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?
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.
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.
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.
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.
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: www.ferra.ru