Эксперимент «Плазменный кристалл» на МКС прошел с новым оборудованием
Легендарный эксперимент «Плазменный кристалл» продолжен на МКС с новым оборудованием. Уникальный прибор, который недавно был доставлен на борт космической станции, — это устройство дополнительного регулятора расхода газа. Новое оборудование позволит получать более точные результаты в ходе эксперимента по изучению плазмы и повысит чистоту самого эксперимента. Данные о том, что представляет собой пылевая плазма, позволят создать новые компактные энергетические батареи и лазеры, разработать новую технологию выращивания алмазов, а также послужить основой для развития новой области — плазменной медицины.
Любое вещество может пребывать в четырех фазовых состояниях — твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма — это более 99% видимой массы Вселенной, начиная от 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 микрон (пылевые частицы) и наблюдение за ее поведением в условиях микрогравитации, при которой происходит почти полная компенсация веса микрочастиц, идет 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, состоящем 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 экспериментальной установке «Плазменный кристалл – 4», созданной также совместно учеными из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН и Германского космического агентства (ДЛР), 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 они 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 20-летнюю 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 ДЛР, 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 сил — электрическая, воздействующая на частицу в поле разряда. Вторая — сила ионного увлечения. Третья сила — 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 его потоком.
Для решения этой проблемы специалисты ОИВТ РАН и ДЛР 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? Всё 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 новой, 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.
