Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: БАБЛ
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Экспериментальное исследование диффузии газа в жидких пенах
Цель эксперимента:

Целью эксперимента является измерение коэффициентов диффузии газа в пенах, а также изучение процессов «укрупнения» и «уплотнения» жидкой пены.

 

Описание эксперимента:

Исследования различных пен (приготовленных на базе растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), полимеров, полиэлектролитов, жидких кристаллов и т.д.) имеют большой практический и научный интерес (см., например, [1-9]). Пена применяется в различных чистящих веществах, при пожаротушении, нефтедобыче, в косметической и кондитерской промышленности и т.п.

Так называемые «сухие» пены, в которых содержится не более 5 % жидкости и воздушные пузыри в которых имеют форму многогранников (полиэдров), уже достаточно хорошо изучены экспериментально и описаны теоретически. «Влажные» же пены (особенно те, в которых содержится более 30 % жидкости, и воздушные пузыри в которых имеют форму, близкую к сферической), напротив, исследованы далеко не полностью. Дело в том, что в земных условиях наличие гравитации приводит к опусканию жидкой фракции в нижнюю часть пены. Этот процесс обычно сопровождается различными гидродинамическими нестабильностями, затрудняющими экспериментальное изучение и теоретическое моделирование влажных пен. Таким образом, не удаётся сформировать влажную пену в чистом виде. Однако эта пена может быть получена и изучена в условиях невесомости, во время космического эксперимента. Получить и исследовать такие пены как раз и планируется на борту МКС в рамках космического эксперимента «БАБЛ», входящего в международный проект FOAM-C.

В настоящее время в ходе подготовки к космическому эксперименту иностранными участниками проекта FOAM-C проводятся предварительные измерения поверхностного натяжения и вязкоупругих модулей влажных пен в земных условиях. Эти измерения помогут интерпретировать результаты, которые будут получены во время планируемого космического эксперимента.

В рамках космического эксперимента (в условиях невесомости) предполагается исследование:

- Процесса «укрупнения» влажной пены, – изменения структуры пены в результате диффузии газа (воздуха) в ней. В результате укрупнения газ переходит из пузырьков меньшего размера в более крупные пузыри пены. Вследствие этого маленькие пузырьки исчезают, а структура и свойства пены, таким образом, изменяются. В частности, предполагается изучить временные зависимости диаметра пузырьков D(t). Будет также исследованно влияние содержания жидкой фракции в пене на процесс её укрупнения.

Перехода «уплотнения» в пенах, – обратимой структурной перестройки влажной пены в сухую при уменьшении содержания жидкости в ней. Будет изучен и обратный процесс.

Космические эксперименты будут проводиться с использованием методов визуального микроскопического наблюдения и многократного светорассеяния.

На первом этапе нашего участия в проекте Foam-C мы намереваемся провести ряд наземных модельных экспериментов по изучению процесса диффузии газа (воздуха) через стенки пены (мыльные плёнки), сопровождающего укрупнение пены. При этом с помощью метода уменьшающегося пузырька будут определены коэффициенты K проницаемости газа (воздуха).

Вышеупомянутый метод оценки K [10] состоит в следующем. Воздушный пузырёк получается вдуванием воздуха в водный раствор ПАВ (или ПАВ + полимер) с помощью тонкого капилляра. Раствор помещается в стеклянную кювету, а воздушный пузырёк образуется вблизи верхней граница ячейки (под покровным стеклом) или вблизи свободной поверхности раствора на границе с атмосферой. Воздух из пузырька будет выходить в раствор и (в случае свободной поверхности раствора) через поверхностную мыльную плёнку в атмосферу. В результате, диаметр воздушного пузырька D постепенно уменьшается со временем t. Измеряя зависимость D от t возможно оценить K. Зависимость D(t) может быть измерена с помощью оптического микроскопа, снабжённого системой компьютерной регистрации и обработки изображений. Для приготовления водных растворов ПАВ (ПАВ + полимер) также необходимо иметь аппарат для очистки воды (Millipore Q System).

Эта работа будет осуществляться параллельно в Университете машиностроения (г. Москва, Россия) и в Южном парижском университете 11 (г. Орсе, Франция). Полученные результаты будут важны для интерпретации вышеупомянутых экспериментов по измерению коэффициента проницаемости газа в пенах, а также для исследования процессов укрупнения и уплотнения пен на МКС.

Кроме уже упомянутой чисто научной важности экспериментальное исследование диффузии газа в жидких пенах имеет и прикладное значение. Полученные в данной работе результаты будут важны для разработки технологий формирования пен с высокой устойчивостью, например в химической и косметической промышленности (моющие вещества), в нефтедобыче, пожаротушении и т.д.

 

Новизна эксперимента:

Заявляемый проект продолжает многолетние исследования по изучению динамики и структуры пены, проводимые Европейским космическим агентством (программа Foam-C), а также – цикла работ руководителей проекта по мыльным плёнкам (см., например, [1’-9’]). Проведенные до настоящего времени эксперименты дали большую информацию как о сухих, так и о влажных пенах. Большинство измерений выполнялось в наземных условиях и только некоторые – в условиях мигрогравитации (параболические полёты).

Новизной и актуальностью данного проекта является попытка изучить динамические свойства и структуру влажной пены в условиях невесомости (в космосе). Одна из задач проекта – развитие эффективного научного сотрудничества между российскими и иностранными научными группами с целью обмена научными знаниями, которые востребованы в области фундаментальных основ инженерных технологий. Сочетание серии экспериментов в условиях невесомости, а также наземных измерений и исчерпывающего теоретического анализа позволит получить полную информацию о поведении влажных пен.

 

Научная аппаратура:

КЭ проводится с использованием НА FSL научного модуля МКС «Коламбус» , включающего систему для получения образцов жидкой пены, её микроскопического наблюдения и регистрации её динамики.

Блоки и агрегаты, входящие в состав НА, и их назначение:

• поляризационный оптический микроскоп;

• источник света (люминесцентный фотодиод);

• система видеосъёмки;

• компьютер с системами видеорегистрации и хранения полученных изображений;

• ячейки с поршнем электромагнитного привода для получения пены;

• внешний контейнер с держателем образцов для доставки на МКС и спуска как минимум 5 ячеек с растворами (пеной);

• блок загрузки ячеек в контейнер.

Экспериментальный модуль сконфигурирован из следующих агрегатов: камеры с образцами (держателя образцов – ячеек с поршнями электромагнитного привода для получения пены); электромагнитного привода для стабилизации устойчивости камеры с образцами; системы микроскопического наблюдения и регистрации динамики пены.

Система видеосъёмки состоит из микроскопа со сменяемыми объективами, видеокамеры, источника света на базе люминесцентных фотодиодов, компьютерной системы для записи, хранения и последующей передачи данных по каналу связи после завершения КЭ.

Блок загрузки образцов сконструирован для одновременной загрузки как минимум 5 образцов из внешнего контейнера.

Внешний контейнер с держателем образцов предназначен для доставки на МКС и спуска как минимум 5 ячеек с растворами (пеной). Он имеет форму параллелепипеда со сторонами размером 400, 270 и 280 мм и массой 35,75 кг (из которых 1,75 кг – масса пяти образцов).

 

Ожидаемые результаты:

Основными результатами КЭ будут:

-Измерение значений коэффициента проницаемости воздуха во влажных пенах.

-Получение временных зависимостей диаметра газовых пузырьков во влажных пенах.

-Наблюдение и измерение основных параметров процесса укрупнения влажных пен.

-Наблюдение и измерение основных параметров перехода уплотнения во влажных пенах.

Результаты предполагается использовать:

-Для получения устойчивых влажных пен в химической, косметической и пищевой промышленности (например, в производстве различных моющих, косметических веществ и пенистых пищевых продуктов). Полученные результаты КЭ позволят повысить эффективность и снизить стоимости производства.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения:
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения)
Организации участники: Laboratoire de Physique des Solides, School of Physics, Trinity College, GRASP, Institut de Physique, Universite de Liege, Liege, Institut des Nanosciences de Paris, Universite Pierre et Marie Curie (Paris), University Paris-Est, University of Pennsylvania, Ochanomizu University, TECLIS, Institut Francais du Petrole (IFP), NESTLE, NESTLE Research.
Научный руководитель: Сонин А. А., Университет машиностроения, профессор кафедры «Физика», доктор физико-математических наук
Публикации по эксперименту:

[1] A.A. Sonin “The Surface Physics of Liquid Crystals”. Amsterdam-Reading: OPA-Gordon and Breach Publishers, 1995.

[2] A.A. Sonin “Freely Suspended Liquid Crystalline Films”. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 1998.

[3] A.A. Sonin, D. Langevin Stratification Dynamics of Thin Films Made from Aqueous Micellar Solutions // Europhys. Lett. 1993, 22(4). 271-277.

[4] A.A.Sonin, A.Bonfillon, D.Langevin Role of Surface Elasticity in the Drainage of Soap Films // Phys. Rev. Lett. 1993. 71. 2342 -2345.

[5] A.A. Sonin, D. Langevin Expansion of Stratification Domains Over the Soap Film Surfaces // Progress in Colloid and Polymer Science. Darmstadt-N.Y.: Steinkopff Verlag-Springer Verlag. 1993. 93. 357.

[6] A.A. Sonin, A. Bonfillon, D. Langevin Thinning of Soap Films: Role of Surface Viscoelasticity // J. Colloid and Interface Sci. 1994. 162. 323-330.

[7] D. Langevin, A.A. Sonin Thinning of Soap Films // Advances in Colloid and Interface Sci. 1994. 51. 1-27.

[8] A.A. Sonin, A. Yethiraj, J. Bechhoefer, B.J. Frisken Temperature-Induced Orientational Transitions in Freely Suspended Nematic Films // Phys. Rev. E 1995. 52. 6260-6266.

[9] A. Saint-Jalmes, A.A. Sonin, M. Delsanti, P. Guenoun, J. Yang, J.W. Mays, D.Langevin Disjoining Pressure and Ordering in Thin Liquid Films Containing Charged Diblock Copolymers Adsorbed at the Interfaces // Langmuir 2002. 18. 2103-2110.

[10] G. Andreatta, L.-T. Lee, F.K. Lee, J.-J. Benattar Gas Permeability in Polymer- and Surfactant-Stabilized Bubble Films // J. Phys. Chem. B. 2006. 110. 19537-19542.

 

Последнее обновление: 14.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения