"Плазменный кристалл" и тайны Вселенной

Новое оборудование доставлено на МКС для продолжения уникального эксперимента
13.09.2018
Мария Недюк


Фото: Олег Артемьев

Легендарный эксперимент, начавшийся еще на советской орбитальной станции "Мир", продолжен на МКС с новым оборудованием. Уникальный прибор, который недавно был доставлен на борт космической станции, - это устройство дополнительного регулятора расхода газа. Он даст возможность получать более точные результаты в ходе эксперимента по изучению плазмы и повысит его чистоту. Данные о том, что представляет собой пылевая плазма, позволят получить ранее неизвестные сведения о Вселенной, создать компактные энергетические батареи и лазеры, разработать новую технологию выращивания алмазов, а также послужить основой для развития плазменной медицины.

Любое вещество может пребывать в четырех фазовых состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма - это более 99% видимой массы Вселенной, начиная со звезд и заканчивая межзвездным газом. Плазма, содержащая частицы пыли, весьма распространена в космосе - это планетарные кольца, хвосты комет, межзвездные облака.

Исследование плазмы с микрочастицами размером несколько микронов (пылевые частицы) и наблюдение за ее поведением в условиях микрогравитации, при которой происходит почти полная компенсация веса микрочастиц, идут уже более двух десятков лет. Еще в январе 1998 года на российском орбитальном комплексе "Мир" космонавты Анатолий Соловьев и Павел Виноградов проводили на установке "Плазменный кристалл-1" (ПК-1) первый эксперимент по изучению физики плазменно-пылевых структур, в том числе плазменных кристаллов и жидкостей. В августе того же года на "Мире" начали проводить исследования на аппаратуре ПК-2, состоящей из газоразрядной трубки и устройства для видеорегистрации эксперимента. В марте 2001 года Сергей Крикалев и Юрий Гидзенко провели первую сессию эксперимента на МКС на установке ПК-3, созданной совместно российскими и немецкими специалистами. Первые эксперименты на новой установке "Плазменный кристалл-4", созданной также совместно учеными из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН и Германского космического агентства (DLR), начались в июне 2015 года. В процессе исследований была выявлена необходимость усовершенствования этой установки. В июле этого года на МКС доставлено дополнительное оборудование для повышения качества эксперимента "Плазменный кристалл-4".

Цель ученых - получение и изучение плазменно-пылевых кристаллов и других упорядоченных структур в плазме. В частности, это позволяет изучать законы процессов, происходящих в протозвездах, протопланетарных кольцах и других небесных телах. В ходе экспериментов микроскопические частицы определенного размера (диаметром несколько микрометров) вводятся в неоновую или аргоновую плазму в газоразрядной трубке. Когда микрочастицы попадают в плазму, они собирают электроны и положительные ионы, в результате чего приобретают отрицательный заряд из-за более высокой подвижности электронов. Микрочастицы отталкиваются друг от друга и формируют различные трехмерные структуры. Такие исследования невозможно проводить на Земле, так как пылевые частицы подвержены действию силы тяжести и могут формировать либо двухмерные структуры, либо сильно деформированные (сжатые) трехмерные.

Несмотря на то что за двадцатилетнюю историю исследования пылевой плазмы дали много новых интересных данных, до сих пор не удалось создать полную математическую модель поведения самоорганизующихся частиц. Новое оборудование, разработанное учеными из ОИВТ РАН и DLR, позволит проводить более чистые эксперименты за счет снижения потока газа, который образует плазму, в десятки раз. Теперь можно расширить диапазон давлений газа и получать новые знания о процессах в пылевой плазме.

- Когда микрочастицы находятся в плазме, на них действует целый ряд сил. Одна из основных - электрическая, воздействующая на частицу в поле разряда. Вторая - сила ионного увлечения. Третья - трение о газ: если тело входит в атмосферу, то оно теряет скорость именно из-за него, - рассказал "Известиям" старший научный сотрудник ОИВТ РАН Андрей Липаев. - Соответственно, когда мы организуем режим с протоком, возникает своего рода ветер, который увлекает частицы. Прибор, который использовался первоначально для перекрывания потока, в процессе эксплуатации в сложных условиях космического эксперимента стал давать значительную утечку газа, и частицы просто уносило потоком.

Для решения этой проблемы специалисты ОИВТ РАН и DLR разработали дополнительное устройство, которое позволяет полноценно управлять потоком газа с помощью внешнего регулятора давления и двух дополнительных клапанов. Так можно достичь стабильного положения частиц. В результате у ученых появилась возможность в полной мере контролировать условия эксперимента.

- Можно сказать, что до сих пор мы просто не могли получить необходимый контроль над потоком газа и, следовательно, качественные результаты. Раньше работать с частицами размером менее 3 микрон попросту было невозможно. Между тем именно частицы размером около 1 микрона интересны с точки зрения изучения таких процессов, как, например, формирование структур, - отметил Андрей Липаев.

Новое оборудование уже установлено на МКС, с борта передается картинка в Центр управления полетами. Сотрудники ОИВТ РАН получают телеметрию и видео эксперимента, также работают звуковые каналы связи с бортом МКС - можно слышать, как проходят переговоры. Новый многодневный эксперимент с использованием дополнительного оборудования по изучению пылевых частиц в плазме недавно был завершен и оправдал ожидания. Теперь ученые будут проводить подробный анализ его результатов.

Как сообщил "Известиям" директор ОИВТ РАН Олег Петров, полученные в ходе эксперимента данные помогут понять суть процессов самоорганизации.

- Исследуемая нами система является открытой диссипативной системой: есть постоянный приток энергии и постоянный ее отток. Такие системы характерны для всех живых организмов. Что происходит с этой системой, какие в ней есть явления самоорганизации? Все это можно и нужно исследовать, - отметил Олег Петров.

Данные о том, что представляет собой пылевая плазма, могут принести большую практическую пользу: они позволят, в частности, создать новые компактные энергетические батареи и лазеры и разработать технологию выращивания алмазов в условиях микрогравитации. Также данные, поступающие с борта МКС, важны для развития плазменной медицины, суть которой в том, что низкотемпературная плазма может инициировать, стимулировать и контролировать сложные биохимические процессы в живых системах.

Эксперимент ПК-4 проводится при поддержке "Роскосмоса" и Европейского космического агентства.

Источник: Известия

Читайте другие наши материалы