Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Кулоновский кристалл
Направление НПИ: 6. Образование и популяризация космических исследований
Секция КНТС: 10. Космическое образование
Наименование эксперимента: Изучение динамики системы заряженных макрочастиц в магнитном поле в условиях микрогравитации
Цель эксперимента:

Космический эксперимент «Кулоновский кристалл» преследует две цели:

• образовательная и демонстрационная: ­

- участие школьников, студентов и аспирантов в подготовке и проведении КЭ по изучению динамического поведения различных твердых и дисперсных сред в неоднородных магнитных полях в условиях микрогравитации на PC МКС (этап 1 КЭ);

• научная: ­

- изучение поведения заряженных дисперсных диамагнитных макрочастиц в магнитной ловушке; ­

- исследование процессов образования заряженными макрочастицами конденсированных пылевых сред - кулоновских кристаллов и кулоновских жидкостей на борту PC МКС (этап 1 КЭ); ­

- физическое моделирование на PC МКС динамического поведения космических пылевых частиц, облучаемых солнечным излучением, в присутствии магнитного поля разной конфигурации и без магнитного поля (этап 2 КЭ).

Описание эксперимента:

Для проведения сеансов экспериментов на борту PC МКС используется специальная аппаратура; исследовательский блок аппаратуры представляет собой электромагнит панцирного типа с рабочей зоной диаметром 140 мм и высотой 50 мм.

Магнитное поле до 0,15 Тл в рабочей зоне электромагнита созда?тся с помощью двух катушек обмотки, системы полюсов и магнитопроводов. В рабочем состоянии ток в катушках обмотки может циркулировать как в противоположных направлениях, так и в одном направлении, в результате чего в рабочей зоне электромагнита создается неоднородное магнитное поле антипробкотронного (аксиально-симметричное квадрупольное) или пробкотронного вида. Энергопотребление электромагнита - до 200 Вт.

Перед проведением сеансов космических экспериментов в рабочей зоне электромагнита размещаются сменные контейнеры, содержащие ампулы с модельными материалами и средами. В сменных контейнерах смонтированы диодные осветители ампул и компактные телекамеры для получения информации о динамическом поведении модельных материалов и сред в магнитном поле. Зарядка диамагнитных частиц в магнитной ловушке производиться с помощью электродов введенных в ампулу (этап 1 КЭ) или посредством облучения частиц солнечным световым излучением (этап 2 КЭ), вызывающим фотоэмиссию электронов, что приведет к зарядке частиц. Видеоинформация о динамическом поведении частиц записывается на магнитные носители (видеокассеты), а также передается в ЦУП-М посредством ТВС PC МКС.

Новизна эксперимента:

Эксперименты по левитации диамагнитных сред проводились в наземных условиях. Следует отметить, что в этих экспериментах использовались сильные магнитные поля 16 Тл, генерирование которых было связанно с большими техническими трудностями. Объем зоны устойчивой левитации составлял ~ 1 см3. Проведение экспериментов в условиях микрогравитации позволит выполнить исследования, которые в наземных условиях провести невозможно.

В частности, в ходе выполнения КЭ «Кулоновский кристалл» предполагается провести изучение пылевых кристаллов и жидкостей. В отличие от пылевых кристаллов в плазме газового разряда, предлагаемый метод позволит изучать регулярные структуры, образуемые заряженными дисперсными диамагнитными частицами как в вакууме (Р < 10-2 Торр), так и в атмосфере любых газов в широком диапазоне давлений (от 10-2 до 105 Торр). В качестве диамагнитных частиц можно использовать как микрочастицы, например, однократно ионизованные атомы щелочных металлов (Li+, K+, Na+ и т.д.) так и макрочастицы размером 1 мм и более. Положительным моментом предлагаемого метода является то, что для создания устойчивой зоны левитации можно использовать устройства на основе постоянных магнитов, которые вообще не требуют энергообеспечения. Это обстоятельство может иметь большое значение при использовании предлагаемого метода левитации на практике, например в датчиках микроускорений или в атомных батареях с большим ресурсом работы (более 10 лет) на основе левитирующих дисперсных радиоактивных материалов.

Научная аппаратура:

Для проведения эксперимента на борту PC МКС используется целевая аппаратура КЭ «Кулоновский кристалл» и средства обеспечения КЭ. Целевая аппаратура КЭ «Кулоновский кристалл» используется при проведении эксперимента на борту PC МКС.

Средства обеспечения КЭ «Кулоновский кристалл» предназначены для оперативного контроля хода выполнения сеансов КЭ операторами PC МКС, для регистрации информации по эксперименту на видеокассеты, а также для передачи отдельных фрагментов видеоинформации с борта PC МКС на Землю в ЦУП-М. Средства обеспечения КЭ «Кулоновский кристалл» входят в состав оборудования уже доставленного и функционирующего на борту PC МКС.

Целевая аппаратура КЭ «Кулоновский кристалл» ­

- Блок питания и управления (БПУ) предназначен для преобразования бортового напряжения в напряжение электропитания диодного осветителя ампулы с модельными материалами, видеокамер, для электропитания и управления током в двух обмотках блока электромагнита; ­

- Блок электромагнита (БЭМ) панцирного типа предназначен для размещения в его рабочей зоне сменного контейнера с экспериментальной ампулой и создания магнитного поля с Вmах ~ 0,15 Тл антипробкотронного или пробкотронного типа; ­

- Защитный экран и кронштейны (ЗЭ) служат для крепления БЭМ вблизи иллюминатора PC МКС, защиты гермоотсека станции от попадания в него прямого солнечного излучения, при проведении сеансов КЭ с облучением модельных материалов солнечным излучением (используется только на этапе 2 КЭ); ­

- Комплект кабелей (КК) предназначен для соединения между собой составных частей блоков аппаратуры и подключения к служебным системам PC МКС; ­

- Сменные контейнеры (СК) предназначены для размещения внутри них экспериментальных ампул (ЭА), для фиксации ЭА в требуемом положении рабочей зоны БЭМ, для защиты экипажа и ограничения доступа к хрупким элементам конструкции ЭА. Ампулы содержат исследуемые материалы - дисперсные среды. Атмосфера ампул - воздух при нормальном давлении. СК также будут содержать компактные диодные осветители и видеокамеры для подсветки и видеосъемки динамики модельных материалов в ампулах. СК изготавливаются и доставляются на PC МКС поэтапно, с учетом результатов ранее выполненных сеансов КЭ; ­

- Магнитные видеокассеты (МВК) служит для регистрации на них бортовыми камкордерами видеоинформации, получаемой в ходе выполнения сеансов КЭ. После выполнения каждого этапа работ на PC МКС МВК доставляются на Землю.

Ожидаемые результаты:

Области применения результатов КЭ «Кулоновский кристалл»

•образовательно-демонстрационная: ­

- участие школьников, студентов и аспирантов в подготовке и реализации КЭ на PC МКС; ­

- демонстрация возможностей использования магнитных полей в фундаментальных и прикладных исследованиях в условиях микрогравитации;

•прикладная: ­

- управление динамикой твердых и дисперсных сред с помощью магнитного поля в условиях микрогравитации.

•фундаментальная наука: ­

- физика сильнонеидеальной однокомпонентной пылевой плазмы, физика пылевых кулоновских кристаллов и жидкостей, фазовые переходы, кооперативные явления, регулярная и стохастическая динамика; ­

- физическое моделирование поведения космических пылевых частиц, облучаемых ультрафиолетовым излучением в плазме, при наличии магнитного поля (этап 2 КЭ).

Полученные результаты:

В период с 02.11.2010г. по 05.01.2011г. в общей сложности было проведено 12 сеансов КЭ. Сеансы эксперимента выполнялись с различными сменными контейнерами, содержащими экспериментальную ампулу с частицами графита соответствующего размера (100 мкм, 200 мкм, 300 мкм, 400 мкм). Видеозаписи динамических процессов, происходящих с модельным материалом в экспериментальной ампуле, осуществлялись камкордерами. Видеокассеты с записью хода процесса (4 шт.) возвращены на Землю в составе СА ТПК «Союз ТМА-19» и переданы постановщику эксперимента для анализа. Предварительные результаты освещены в экспресс-отчетах по КЭ за период МКС25/26, МКС27/28, Этапном отчете по КЭ (Инв. № 1.3.2 - 2/11).

Сроки проведения: 2004-2013 г.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН.
Организации участники: РКК «Энергия»; РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина
Научный руководитель: Фортов В.Е., ОИВТ РАН, академик РАН
Публикации по эксперименту:

Список публикаций в процессе редактирования.

Последнее обновление: 12.12.2018

Информационная справка

Программы

Изображения