Описываются проведенные в период 2001-2014 гг. с участием российских и немецких ученых и космонавтов исследования плазменных кристаллов на Международной космической станции. В ходе экспериментов обнаружен ряд новых эффектов и явлений, не наблюдаемых в условиях земной гравитации и расширяющих наши представления о структуре и динамике материи.
Для специалистов по физике пылевой плазмы, а также всех, кого интересуют вопросы постановки современного космического эксперимента, организации и практики космических исследований.
ТОЧКА ОТСЧЕТА.
Научное исследование в условиях космоса - предприятие многосложное. От замысла до полного воплощения проект может продлиться более двадцати лет. Это означает, что исследователи должны быть достаточно молоды или что им, возможно, придется передать свои знания и навыки и препоручить свои обязанности по эксперименту младшим коллегам.
Космические исследования бывают разные - могут быть исследования из космоса (например, дистанционное зондирование Земли или астрономия), исследования самого космоса (например, изучение околоземного пространства, космической погоды, исследование межпланетной среды, а также отдельных планет, Луны, астероидов и комет) и еще исследования с использованием специфических особенностей космоса (скажем, невесомости, точнее говоря, микрогравитации и огромных расстояний). Некоторые исследования удобней производить на беспилотных космических аппаратах с помощью автоматов и робототехники, а иные требуют экспериментов, производимых людьми, - подобно тем, что производятся в земных научных лабораториях.
СОДЕРЖАНИЕ
От авторов
1. Точка отсчета
2. «Плазменный кристалл»
3. Нужен космический эксперимент
4. Кристаллизация российско-германского сотрудничества
5. Германия: эксперимент в параболическом полете
6. Германия: ракетный эксперимент
7. Россия: первый эксперимент «Плазменный кристалл» в космосе
8. Как рождалась международная космическая станция
9. Российско-германский план
10. Прощание с «Миром»
11. Создание экспериментальной установки
12. Космодром «Байконур»
13. Эксперимент «ПК-3»
14. Центр подготовки космонавтов
15. Королев - космический город
16. Эксперимент «ПК-3+»
17. «Плазменный кристалл» в созвездии космонавтов
18. Наши встречи на Земле
19. Результаты исследований
20. Будущее уже рядом
21. Заключительное слово
Библиография.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Плазменный кристалл, Космические эксперименты, Фортов В.Е., Батурин Ю.М., Морфилл Г.О., Петров О.Ф., 2015 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Сахарова Т.А. (р.п. Н-Кисляй, МКОУ Нижнекисляйская СОШ им. Полякова)
1. Арцимович Л.А. «Элементарная физика плазмы».
2. http://www.nkj.ru/archive/articles/1318/ (Наука и жизнь, КРИСТАЛЛЫ В ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ).
3. Robert L. Merlino. Experimental Investigations of Dusty Plasmas (англ.) (PDF). Department of Physics and Astronomy, The University of Iowa (17 June 2005). – Исторический обзор исследований пылевой плазмы. Проверено 18 июля 2009. Архивировано из первоисточника 2 апреля 2012.
4. Фортов В.Е., А.Г. Храпак, С.А. Храпак, В.И. Молотков, О.Ф. Петров. Пылевая плазма (рус.) // УФН. – 2004. – Т. 174. – С. 495–544.
5. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака (рус.) // УФН. – 1997. – Т. 167. – С. 57–99.
6. Пылевая плазма // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. – М.: Янус-К, 2006. – Т. 1.
7. Фортов В.Е. Плазменно-пылевые кристаллы и жидкости на Земле и в Космосе (рус.) // Вестник российской академии наук. – 2005. – Т. 75, № 11. – С. 1012-1027.
8. Клумов Б.А. О критериях плавления комплексной плазмы (рус.) // УФН. – 2010. – Т. 180. – С. 1095–1108.
9. Видео с ютуба «Изучение полевых кристаллов в космосе».
Плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95 % обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.
Данной исследовательской работой я занялся, потому что меня заинтересовало еще малоизученное в современном мире четвертое состояние вещества - плазма. Увлекло явление, обнаруженное недавно в низкотемпературной плазме, - образование «плазменного кристалла», то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.
Цель моего исследования: получение низкотемпературной плазмы путем эксперимента, знакомство с плазменно-полевыми кристаллами.
Задачи исследования:
1. Расширить знания о «плазме».
2. Получить низкотемпературную плазму в домашних условиях.
3. Узнать сферы применения плазмы.
4. Провести анализ, полученных сведений из различных источников и экспериментальных данных.
Актуальность данной работы в том, что в последнее время физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Открытия в этой сфере позволят улучшить качество жизни человека: организовать переработку отходов; производство альтернативной энергии; производство микросхем; увеличение прочности металлов; изобретение новых плазменных двигателей; победить вредные микробы; улучшить качество цветных изображений в плазменных панелях; объяснить эволюцию Вселенной и т.д.
Работа с источниками информации
История открытия плазмы
Четвертое состояние материи было открыто У. Круксом (рис. 1) в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром (рис. 2) в 1928 году возможно из-за ассоциаций с четвертым состоянием вещества (плазмы) с плазмой крови.
Рис. 1. У. Кругсон
Рис. 2. И. Ленгмюр
И. Ленгмюр писал: «Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит электроны и ионы практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», что бы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов». .
Понятие плазмы
Плазма - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми.
Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы.
Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества (рис. 3).
Рис. 3. Четвёртое состояние вещества
Что такое пылевая плазма?
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках (рис. 4). Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.
Рис. 4. Плазменный хвост кометы
В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления (рис. 5) и травления в микроэлектронике (рис.6), а также производства тонких пленок (рис. 7) и наночастиц (рис. 8).
Рис. 5. Плазменное напыление
Рис.6. Травление платины в водороде
Рис. 7. Тонкая полупроводниковая пленка
Рис.8. Наночастицы
Плазменный кристалл
Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон (рис. 9). Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию (рис. 10). Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).
Рис. 9. Плазменный кристалл
Рис. 10. Кулоновское взаимод
Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие «берет верх» над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле (рис. 11). Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.
Рис. 11. Плазменный кристалл
Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом.
Получение низкотемпературной плазмы в домашних условиях
После некоторых исследований, свойств и характеристик плазмы, я смог провести опыт получения в домашних условиях низкотемпературной плазмы (Видео «Получение плазмы»). Для этого мне понадобилось следующее оборудование: СВЧ печь, вод ветроустойчивые спичка, стеклянная банка.
Рис. 12. Подготовительный этап
Ход проведения опыта:
1. С начала я вынул из СВЧ печи стеклянное блюдо, на котором вращаются продукты при разогреве. Подготовил спичку (рис. 12).
2. Затем на центр Микроволновой печи я вставил спичку и зажег ее.
3. После этого я накрыл спичку стеклянной банкой, потом закрыл СВЧ печь, включил ее, установив функцию нагрева продуктов (рис. 13).
4. После некоторого количества времени можно увидеть, как в стеклянной банке с зажженной спичкой образовывается плазма (рис. 14).
Рис. 13. Спичка под стеклянной банкой в СВЧ печи
Рис. 14. Низкотемпературная плазма
Благодаря этому простому опыту можно увидеть, как ионизируется газ под действием температуры и тем самым получается частично ионизированная плазма. Если мне удалось так просто получить низкотемпературную плазму, значит её можно получить на предприятиях, при этом затраты на её получение минимальны.
Заключения
Мне удалось получить низкотемпературную плазму в домашних условиях. Я расширил свои знания по данному вопросу, узнал много нового и интересного. Меня очень заинтересовала эта тема и уверен, что когда я буду выбирать профессию эта исследовательская работа оставит свой отпечаток.
«Хаотичная» плазма-это 5-е состояние вещества. Кристаллическая плазма-это состояние «организованной» плазмы, где ее не надо удерживать магнитным полем. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.
Я считаю, что плазма - это символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации. Плазма, на мой взгляд, альтернативный источник энергии и доктор экологии.
Пылевая плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий частицы конденсированного вещества. Другими терминами, употребляемыми для обозначения таких систем являются «комплексная плазма», «коллоидальная плазма», а также «плазма с конденсированной дисперсной фазой». Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они присутствуют в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутниках земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Наконец очень активно исследуется пылевая плазма в лабораторных условиях. Пылевые частицы могут не только преднамеренно вводиться в плазму, но и образовываться самопроизвольно в результате различных процессов. Широкая распространенность плазменно-пылевых систем, а также целый ряд уникальных свойств, делают пылевую плазму чрезвычайно привлекательным и интересным объектом исследования.
Пылевые частицы, находящиеся в плазме, приобретают электрический заряд и представляют собой дополнительный заряженный компонент плазмы. Однако свойства пылевой плазмы значительно богаче свойств многокомпонентной плазмы электронов и ионов различного сорта. Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов и, иногда, источником электронов. Тем самым пылевой компонент может существенно влиять на ионизационное равновесие. Заряд пылевых частиц не является фиксированной величиной, а определяется параметрами окружающей плазмы и может изменяться как во времени, так и в пространстве. Кроме того, заряд флуктуирует даже при постоянных параметрах окружающей плазмы, поскольку зарядка является стохастическим процессом.
Частицы пылевой плазмы могут выстраиваться в пространстве определённым образом и образовывать так называемый плазменный кристалл. Плазменный кристалл может плавиться и испаряться. Если частицы пылевой плазмы достаточно велики то кристалл можно будет увидеть невооружённым глазом.
Строительным материалом для пылевых кристаллов служат макрочастицы, размер которых может варьироваться вплоть до десятков микрон в зависимости от условий конкретного эксперимента. Величина постоянной решетки в таких кристаллах обычно значительно превосходит дебаевский радиус экранирования и может достигать сотен микрон. Помимо образования в плазме кристаллических пылевых структур во многих случаях, были обнаружены плазменно-пылевые капли, и наблюдались фазовые переходы газ-жидкость в таких системах .
Заряд пылевых частиц может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку её поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).
Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твёрдом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.
Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооружённым глазом. Образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. Кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица „ловит“ электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на её поверхности не сравняются. С высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц увеличится и будет отрицательным. Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоёв частиц составляло несколько десятков микрометров.
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.
