Лаборатория материаловедения (MSL) Европейского космического агентства — это полезная нагрузка на борту Международной космической станции для проведения экспериментов по материаловедению в условиях низкой гравитации.
Он установлен в первой стойке NASA Materials Science Research Rack, которая находится в лаборатории Destiny на борту МКС. Его цель — обработка образцов материалов различными способами: направленная кристаллизация металлов и сплавов, рост кристаллов полупроводниковых материалов, эксперименты по изучению теплофизических свойств и диффузии сплавов и стеклообразующих материалов, а также исследования полимеров и керамики при фазовом переходе жидкость-твердое тело.
MSL был построен для ESA компанией EADS Astrium в Фридрихсхафене, Германия. Он эксплуатируется и контролируется Центром поддержки пользователей микрогравитации (MUSC) Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в Кельне, Германия.
Краткое описание миссии
MSL был запущен с шаттлом Discovery в ходе миссии STS-128 в конце августа 2009 года. Он был перемещен из многоцелевого логистического модуля в лабораторию Destiny вскоре после того, как шаттл пристыковался к Международной космической станции, примерно через два дня после запуска. После этого начались пусконаладочные работы, чтобы проверить сначала функциональность стойки для исследований в области материаловедения и MSL внутри MSRR. Ввод в эксплуатацию включал обработку первых двух образцов, которая состоялась в начале ноября. После того, как эти два образца будут доставлены обратно на землю для анализа учеными, остальные образцы из партии 1 будут обработаны в начале 2010 года.
Основной объект
Лаборатория материаловедения (MSL) — это вклад Европейского космического агентства в MSRR-1 NASA. Она занимает половину Международной стандартной стойки полезной нагрузки.
MSL состоит из основного объекта вместе с соответствующими вспомогательными подсистемами. основной объект состоит в основном из вакуумно-плотного цилиндра из нержавеющей стали (технологической камеры), способного вмещать различные отдельные печные вставки (FI), внутри которых выполняется обработка образцов. Технологическая камера обеспечивает точно контролируемую среду обработки и измерение уровней микрогравитации. Она может вмещать несколько различных печных вставок. Во время первой партии экспериментов устанавливается низкоградиентная печь (LGF). Другая печь, печь для затвердевания и закалки (SQF), уже изготовлена и ждет на земле будущих операций. FI можно перемещать с помощью специального приводного механизма для обработки каждого образца в соответствии с требованиями ученых. Обработка обычно происходит в вакууме.
Основной объект поддерживает FI с количеством нагревательных элементов до восьми и обеспечивает механическую, тепловую и электрическую инфраструктуру, необходимую для работы FI, узел картриджа с образцом (SCA), а также любую связанную с экспериментом электронику, которая может потребоваться.
FI представляет собой систему нагревательных элементов, изолирующих зон и зон охлаждения, содержащихся в сборке теплоизоляции. На внешней оболочке этой сборки находится водоохлаждаемая металлическая рубашка, образующая механический интерфейс с основным объектом.
Основные характеристики двух выпускаемых печных вставок:
LGF разработан в основном для выращивания кристаллов Бриджмена полупроводниковых материалов. Он состоит из двух нагретых полостей, разделенных адиабатической зоной. Эта сборка может устанавливать низкие и точно контролируемые градиенты между двумя очень стабильными уровнями температуры.
SQF разработан в основном для металлургических исследований с возможностью закалки интерфейса затвердевания в конце обработки путем быстрого перемещения зоны охлаждения. Он состоит из нагреваемой полости и охлаждаемой водой зоны охлаждения, разделенных адиабатической зоной. Он может устанавливать средние и крутые градиенты температуры вдоль экспериментального образца. Для создания больших градиентов кольцо из жидкого металла усиливает термическую связь между SCA и зоной охлаждения.
Образец сборки картриджа
Образцы, которые должны быть обработаны, содержатся в экспериментальных картриджах, SCA, которые состоят из герметичной трубки, тигля, датчиков для управления процессом, зонда для образцов и основания картриджа (т. е. механического и электрического интерфейса с технологической камерой). Концепция безопасности MSL требует, чтобы экспериментальные образцы, содержащие токсичные соединения, содержались в SCA, которые поддерживают обнаружение потенциальных утечек. Объем между экспериментальным образцом и трубкой картриджа заполнен заранее определенным количеством криптона, что позволяет обнаруживать утечки с помощью масс-спектрометрии. Однако первая партия экспериментов не содержит никаких токсичных веществ.
До 12 научных термопар обеспечивают температурный профиль образца и позволяют проводить дифференциальный термический анализ.
Эксперименты
Лаборатория материаловедения — Переход от столбчатого к равноосному при затвердевании (CETSOL) и формирование микроструктуры при литье технических сплавов в диффузионных и магнитно-контролируемых конвективных условиях (MICAST) — это два исследования, в которых будут изучены различные модели роста и эволюция микроструктур во время кристаллизации металлические сплавы в условиях микрогравитации.
MICAST изучает формирование микроструктуры во время литья технических сплавов в диффузионных и магнитно-управляемых конвективных условиях. Экспериментальные результаты вместе с параметрическими исследованиями с использованием численного моделирования будут использоваться для оптимизации промышленных литейных процессов. MICAST экспериментально определяет и контролирует закономерности течения жидкости, которые влияют на эволюцию микроструктуры во время литейных процессов, а также для разработки аналитических и расширенных численных моделей. Микрогравитационная среда Международной космической станции имеет особое значение для этого проекта, поскольку только там устраняются все конвекции, вызванные гравитацией, и преобладают четко определенные условия для затвердевания, которые могут быть нарушены искусственным потоком жидкости, находящимся под полным контролем экспериментаторов. Будут предоставлены конструкторские решения, которые позволяют улучшить литейные процессы и особенно алюминиевые сплавы с четко определенными свойствами. MICAST изучает влияние чистых диффузионных и конвективных условий на литейные сплавы алюминий-кремний (AlSi) и алюминий-кремний-железо (AlSiFe) на эволюцию микроструктуры во время направленной кристаллизации с вращающимся магнитным полем и без него.
Основная цель CETSOL — улучшить и проверить моделирование столбчато-равноосного перехода (CET) и микроструктуры зерна в процессе затвердевания. Это направлено на то, чтобы дать промышленности уверенность в надежности численных инструментов, введенных в их интегрированные численные модели литья, и их взаимосвязи. Для достижения этой цели будет проводиться интенсивное углубление количественной характеристики основных физических явлений, которые от микроскопических до макроскопических масштабов управляют формированием микроструктуры и CET. CET происходит во время столбчатого роста, когда новые зерна растут впереди столбчатого фронта в переохлажденной жидкости. При определенных условиях эти зерна могут остановить столбчатый рост, и тогда микроструктура затвердевания становится равноосной. Эксперименты должны проводиться на МКС из-за большой продолжительности, необходимой для затвердевания образцов с целью изучения CET. Действительно, масштаб длины зеренной структуры, когда происходит столбчатый рост, имеет порядок масштаба литья, а не масштаба микроструктуры. Это связано с тем, что в первом приближении именно поток тепла управляет переходом, а не поток растворенного вещества. Экспериментальные программы проводятся на сплавах алюминия с никелем и алюминия с кремнием.
Связанные публикации
Научные исследования на МКС