В поисках идеального вакуума

Популярный в научных кругах анекдот гласит, что для разработки беспроигрышной модели в лошадиных бегах физику нужны лаборатория, штат ассистентов, пять лет и миллион долларов. В отсутствии всего этого он предложит заказчику эффективную, но требующую небольшой доработки модель «сферического коня в вакууме». В любом эксперименте идеальные условия дают блестящий результат. Но так ли они недостижимы?

В конце октября в космическом центре НАСА в США (г. Хьюстон), где расположен центр управления полетами МКС, прошел первый международный симпозиум по нанотехнологиям, энергетике и исследованиям космоса, организованный по инициативе двух профессоров из США и России. Американскую сторону представлял Алекс Игнатьев из университета Хьюстона, российскую – Олег Пчеляков, заведующий отделом роста и структуры полупроводниковых материалов Института физики полупроводников им. Ржанова. Это не первое мероприятие в Хьюстоне, организованное по инициативе Сибирского отделения РАН. Три года назад там состоялось празднование 50-летия новосибирского Академгородка. Делегацию наших ученых возглавлял Председатель Президиума СО РАН академик Николай Добрецов. Тогда же было принято решение о ежегодном проведении в этом городе «Дней сибирской науки».

В трехдневном симпозиуме приняли участие 250 ученых, технологов и космонавтов из США, России, Казахстана, Франции, Германии, Индии и Китая. Главной темой форума стало использование нанотехнологий для создания возобновляемых источников энергии и, в частности, выращивания кристаллов кремния, которые используются в элементах солнечных батарей. Они до сих пор не получили широкого распространения во всем мире из-за невысокого коэффициента полезного действия. Продукция китайского производства, доступная по стоимости для широких масс, имеет КПД не выше 5-6%.

Для создания высокоэффективных элементов солнечных батарей необходим чистый вакуум. Кристаллы, выращенные в таких условиях, позволят повысить эффективность приборов в 5-6 раз. Такое заметное улучшение даст новую возможность всем странам всерьез рассмотреть перспективу перехода на возобновляемые источники энергии. Однако построить лабораторию, удовлетворяющую высоким техническим требованиям, проблематично. Чем чище вакуум, тем дороже обходится эксплуатация системы, поскольку для его получения расходуется больше энергии, жидкого гелия и азота. В попытке решить проблему ученые обратили свой взор в космос.

Первым «посмотрел в небо» профессор Университета Хьюстона Алекс Игнатьев, русский эмигрант в третьем поколении, родившийся в Германии. Ему пришла идея о том, что, установив защитный экран снаружи на борту движущегося по орбите корабля, можно получить позади него абсолютный вакуум для выращивания полупроводниковых кристаллов любого размера.

– Ко времени нашего знакомства по инициативе Алекса Игнатьева вакуумная лаборатория была запущена в космос и возвращена на Землю уже три раза. Планы четвертого полета были нарушены крушением шаттла «Колумбия» в 2003 году, – объясняет Олег Пчеляков. – Тогда мы объединили свои усилия, придав проекту международный статус.

Работы с использованием космического вакуума для выращивания полупроводниковых тонкопленочных многослойных систем и наноструктур проводятся в настоящее время только в США и России. В Америке они начались в 1989 году в Университете Хьюстона в Центре эпитаксии в космическом вакууме. Результаты экспериментов показали, что с помощью «молекулярного экрана» можно получить разрежение газовой среды, недостижимое в наземных условиях. Вслед за американцами аналогичную технологию заявила группа ученых из Зеленограда, которая занималась выращиванием полупроводниковых кристаллов в космосе. Похожие проекты формулировались в Физико-техническом институте им. Иоффе РАН в Санкт-Петербурге.

История сибирского проекта «Экран» началась в 1995 году с планов выращивания полупроводниковых тонкопленочных композиций на орбитальной станции «Мир». Проект ИФП был поддержан на совещании секции космического материаловедения Совета по космосу РАН под председательством академика Юрия Осипьяна. Работы финансировал Международный центр полезных нагрузок космических объектов и ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. Королева. По их заказу в Новосибирске был спроектирован и изготовлен первый в стране стенд-имитатор космического вакуума.

В 1996-2001 гг. под руководством Олега Пчелякова в ИФП разработали технологическое оборудование для получения полупроводниковых пленок в открытом космосе. Научную аппаратуру для космического эксперимента собирались размещать на орбитальной станции «Мир».

– Проект «Экран» был бы уже реализован, но по решению Правительства РФ в марте 2001 года станцию затопили в Тихом океане, – сожалеет Олег Пчеляков. – После этого финансирование космических программ в России временно прекратилось. Но уже в 2006 году в нашем институте возобновилась работа над созданием нового комплекта научной аппаратуры для установки на российском сегменте международной космической станции. За три года на Опытном заводе и экспериментальном производстве ИФП при участии Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН изготовлено два комплекта наземного сверхвысоковакуумного оборудования для выращивания полупроводниковых наноструктур и эскизный образец аппаратуры для космического эксперимента «Экран-М». Новый имитатор космического вакуума сегодня проходит лабораторные испытания в Институте физики полупроводников.

Проект «Экран» стал международным. Кроме специалистов из США во время саммита президентов России и Казахстана в новосибирском Академгородке в 2006 году к нему присоединились ученые из Алма-Аты. В прошлом году зарегистрирован российско-американский патент на устройство для выращивания полупроводниковых пленок в космосе. Учитывая масштаб такого производства, специалисты предполагают, что проект окупится достаточно быстро. Между тем, интерес рынка высокотехнологичной продукции к полупроводниковым материалам для солнечных батарей стремительно растет. В случае создания вакуумного производства в космосе уровень мировых технологий шагнет на многие десятки лет вперед. Согласие на участие в международном проекте уже дали ученые из бывших стран СЭВ, Японии, Германии, Франции и Италии.

Мария ШКОЛЬНИК

На снимках: О. Пчеляков за пультом МКС;

А. Игнатьев объясняет принцип работы вакуумной лаборатории