Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Кулон-магнит
Направление НПИ: 5. Технологии освоения космического пространства
Секция КНТС: 8. Перспективные технологии освоения космического пространства
Наименование эксперимента: Изучение динамики и структур дисперсных систем в магнитной ловушке в условиях микрогравитации
Цель эксперимента:

Целью проведения космического эксперимента «Кулон-магнит» является выполнение образовательно-демонстрационных опытов по теоретическому и экспериментальному изучению динамики открытых диссипативных кулоновских структур в антипробкотронном поле в условиях микрогравитации; участие студентов и аспирантов вузов в подготовке и проведении КЭ по изучению динамического поведения дисперсных сред в антипробкотронном магнитном поле в условиях микрогравитации на РС МКС.

Описание эксперимента:

Для изучения динамики дисперсных сред в статическом неоднородном магнитном поле, предлагается разработать и изготовить научную аппаратуру «Кумаг», позволяющую проводить физические эксперименты на борту РС МКС. Проведение подобных экспериментов в наземных условиях сильно затрудненно, поскольку сила тяжести значительно превосходит величину магнитных пондеромоторных сил, действующих на дисперсные среды.

В наземных условиях макрочастицы быстро оседают на дно экспериментальных ампул. В условиях микрогравитации на борту МКС можно изучать особенности влияния слабых магнитных полей на динамику макрочастиц различных материалов, формы и размеров. При подготовке космического эксперимента – «Кулон-магнит» будет использован положительный опыт создания в ОИВТ РАН научной аппаратуры «КУК», а также опыт проведения приоритетных научных исследований в части космического эксперимента «Кулоновский кристалл» на РС МКС. В рабочей зоне магнитного блока аппаратуры «Кумаг», антипробкотронное магнитное поле будет создаваться с помощью двух постоянных магнитов ориентированных одноименными полюсами навстречу друг-другу.

Благодаря использованию современных постоянных магнитов, в рабочей зоне аппаратуры «Кумаг» планируется получить магнитные поля на порядок более интенсивные, чем в аппаратуре «КУК». Это позволит проводить исследования с любыми диамагнитными модельными материалами, как в газовой атмосфере так и в жидкости. Важным преимуществом использования постоянных магнитов в аппаратуре «Кумаг», перед электромагнитами в аппаратуре «КУК», является то, что постоянные магниты не требуют для своей работы электроснабжения от сети РС МКС.

Во вновь разрабатываемой аппаратуре для получения более полной информации о динамике и пространственной структуре пылевых образований будет использоваться диагностика с использованием лазерного излучения.

В ходе подготовки и реализации космического эксперимента «Кулон-магнит» предполагается выполнение следующих работ: - разработка и изготовление научной аппаратуры «Кумаг»; - проведение наземной отработки эксперимента и аппаратуры; - доставка аппаратуры и сменных контейнеров с модельными материалами на РС МКС; - выполнение сеансов космического эксперимента на борту РС МКС и передача полученной информации на Землю; - обработка и анализ полученной информации; - публикация результатов эксперимента в отечественных и зарубежных научных изданиях. В процессе выполнения сеансов КЭ будет проводиться видеосъёмка динамики исследуемых модельных материалов, заключенных в прозрачные экспериментальные ампулы.

В экспериментальных ампулах будут создаваться постоянные и переменные электрические поля различной конфигурации. Вся научная информация по сеансам КЭ будет передаваться в ЦУП по телевизионному каналу РС МКС, а также записываться на носители информации для последующей доставки на Землю. В ходе реализации космического эксперимента будет получена новая информация по физике кулоновских систем, физики коллоидных систем, физике электромагнитных ловушек, а также по физическому моделированию поведения веществ в условиях микрогравитации.

В практическом плане результаты эксперимента могут найти применение при создании систем манипулирования твёрдыми, жидкими и дисперсными средами различного состава посредством электромагнитных полей в условиях космического полёта. К проведению разработки научной аппаратуры, её изготовлению, наземной отработки, выполнению сеансов космического эксперимента на РС МКС и анализу результатов эксперимента будут привлечены студенты и аспиранты по специальности 01.04.08 Физика плазмы МФТИ (ГУ). Проведенные работы будут использованы в научно-образовательном процессе при подготовке студентов и аспирантов с использованием лабораторных практикумов.

 

 

Новизна эксперимента:

Функциональными аналогами магнитного блока являются наземные левитаторы и левитаторы, предназначенные для эксплуатации на борту космических аппаратов в условиях микрогравитации. Основное отличие наземных левитаторов от «космических» состоит в том, что для удержания тел в наземных условиях требуются силы в 104 …106 раз более интенсивные по сравнению с силами, применяемыми в «космических» левитаторах.

Электромагнит системы Ф. Биттера [Berry M.V., Geim A.K. // Eur. J. Physics. 1997. V. 18. P. 307.] обеспечивает устойчивое левитирование диамагнитных тел и сред в наземных условиях. Объём зоны левитирования ~1 см3, максимальное магнитное поле 160000 Гс, энергопотребление 4000 КВт, масса электромагнита 200…300 кг, масса систем электропитания и охлаждения – несколько тонн. Для сравнения: объём зоны устойчивого левитирования магнитного блока ~100 см3, максимальное магнитное поле 6300 Гс, энергопотребление 0 Вт (за счёт использования постоянных магнитов, не потребляющих энергию), масса не более 18 кг. Принцип удержания левитирующих тел в вышеуказанных устройствах один и тот же – использование неоднородных магнитных полей. Левитатор с этим принципом удержания тел использовавшийся на космических аппаратах – аппаратура «КУК» космического эксперимента «Кулоновский кристалл» РС МКС.

КЭ «Кулон-магнит» позволит исследовать такие объекты как кулоновские системы активных макрочастиц и коллоидные системы активных броуновских частиц. Одной из задач, решаемых в рамках КЭ, будет экспериментальное изучение кинетических фазовых переходов в таких системах.

Научная аппаратура «Кумаг» по назначению и цели использования аналогична НА «КУК», используемой на РС МКС при проведении сеансов КЭ «Кулоновский кристалл».

Магнитные блоки обеих аппаратур создают магнитное поле антипробкотронного типа в рабочей зоне. Принципиальное отличие новой аппаратуры заключается в том, что в рабочей зоне НА «Кумаг» максимальные градиенты магнитного поля будут на порядок превышать соответствующие градиенты в НА «КУК», и соответственно, удерживающие силы, действующие на диамагнитные частицы в магнитной ловушке НА «Кумаг» на два порядка больше удерживающих сил в НА «КУК». Это обеспечит возможность работы с диамагнитными материалами с малой величиной магнитной восприимчивости, в том числе дисперсными материалами, являющимися активными броуновскими макрочастицами. Большие градиенты магнитных полей, в свою очередь дают более широкие возможности в выборе материала дисперсных частиц. Это позволит провести эксперименты со сферическими калиброванными макрочастицами и изучить эффекты связанные со структурой и фазовыми переходами в такой системе.

Также в новой аппаратуре будет предусмотрена возможность осуществления кинетического разогрева макрочастиц (увеличении кинетической энергии хаотического движения) лазерным излучением. Помимо этого новая аппаратура обеспечит возможность работы с коллоидными системами с дисперсными диамагнитными материалами в жидкости в магнитном поле.

Для генерирования в рабочей зоне НА «КУК» магнитного поля ~ 6000 Гс потребуется источник тока мощностью ~ 20 кВт. Ясно, что это абсолютно нереально для НА, размещенной на МКС, как с точки зрения обеспечения электропитания, так и с точки зрения обеспечения отвода выделяющегося тепла. В тоже время, для генерирования в рабочей зоне магнитного блока НА «Кулон-магнит» магнитного поля уровня ~ 6000 Гс, вообще не нужен источник электроэнергии. До настоящего момента в сеансах эксперимента, проводимых на РС МКС с использованием НА «КУК» работа осуществлялась только с макрочастицами графита – материала с максимальной удельной диамагнитной восприимчивостью.

Таким образом, использование на борту РС МКС магнитного блока КЭ «Кулон-магнит» позволит провести оригинальные научные исследования и образовательно-демонстрационные опыты по физике магнитного поля и левитации дисперсных сред и жидкостей в условиях микрогравитации.

 

Научная аппаратура:

Для проведения эксперимента на борту РС МКС должна использоваться целевая аппаратура КЭ «Кулон-магнит» и привлекаемое оборудование РС МКС.

Поблочный состав. Функциональное назначение основных блоков аппаратуры Аппаратура КЭ «Кулон-магнит» должна включать:

- блок питания и управления (БПУ);

- магнитный блок (МБ);

- сменные контейнеры (СК) с размещенными в них экспериментальными ампулами (ЭА) (расходный материал; на РС МКС будет доставлено всего 20 штук СК);

- бокс загрузки сменных контейнеров (БЗ);

- комплект кабелей (КК);

- карта памяти.

Привлекаемые средства РС МКС включают в себя:

- бортовой лэптоп (из состава ИУС);

- жесткий диск (из состава КСПЭ);

- фото и видеоаппаратуру (из состава КСПЭ).

1. Аппаратура КЭ «Кулон-магнит»

1.1 Блок питания и управления (БПУ) - составная часть аппаратуры, позволяющая оператору РС МКС подавать команды на перемещение модулей постоянных магнитов внутри корпуса МБ относительно рабочей зоны. БПУ также позволяет управлять работой средств подсветки и телекамер внутри СК при проведении сеансов эксперимента с модельными материалами. На лицевой панели БПУ будет размещён дисплей, позволяющий в реальном времени наблюдать за динамикой модельных сред внутри СК в ходе выполнения сеанса КЭ на РС МКС. С пульта БПУ можно подавать постоянное или переменное электрическое напряжение на электроды экспериментальных ампул.

С помощью БПУ на карту памяти будет записываться информация, полученная в ходе выполнения сеанса КЭ – видеоинформация о движении модельной среды в экспериментальной ампуле, величина индукции магнитного поля на торцевых поверхностях СК, данные о координатах по оси z расположения постоянных магнитов внутри корпуса МБ и другая сопутствующая информация. После выполнения сеанса КЭ полученная информация будет копироваться на возвращаемый жесткий диск, доставляемый на Землю для анализа постановщиками КЭ.

1.2 Магнитный блок представляет собой магнит панцирного типа (см. Приложение 1), позволяющий создавать в рабочей зоне (18) регулируемое антипробкотронное магнитное поле (см. Приложение 2) с осевой симметрией. Источниками магнитного поля являются высокоэффективные постоянные магниты (7 и 8) цилиндрической формы с высоким уровнем остаточной намагниченности. Магнитную цепь МБ составляют боковые магнитопроводы (1 и 2), фиксированные торцевые магнитопроводы (3 и 4) и подвижные торцевые магнитопроводы (5 и 6). Регулирование интенсивности магнитного поля в рабочей зоне осуществляется перемещением постоянных магнитов (7 и 8) вместе с кольцевыми вставками (9 и 10) и подвижными магнитопроводами (5 и 6) вдоль оси МБ таким образом, что магнитная цепь не разрывается, а рабочий зазор между постоянными магнитами может изменяться. Движение магнитов вдоль оси блока осуществляется механизмами перемещения модулей постоянных магнитов (13, 14, 15 и 16).

Рабочую зону (18) МБ составляет внутренняя полость в корпусе магнита ограниченная магнитопроводом (17) и ограничительными вставками (11 и 12).

1.3 Все магнитопроводы будут изготовлены из ферромагнетиков с большими значениями намагниченности насыщения (~ 2 Тл) и малыми значениями коэрцитивной силы, например из низкоуглеродистой стали (к примеру, марок Ст.10 или Ст.20), что позволит передать магнитный поток от постоянных магнитов к рабочей зоне с минимальными потерями.

1.4 Кольцевые (9, 10) и ограничительные вставки будут изготовлены из немагнитных материалов Al, Ti, немагнитная нержавеющая сталь или пластиков. Такая конструкция МБ позволяет оптимизировать магнитное поле в объеме рабочей зоны и минимизировать паразитный выход магнитного поля во внешнее пространство блока.

1.5 Подвижная часть бокового магнитопровода (17) может сдвигаться вдоль корпуса МБ. При этом открывается отверстие в корпусе МБ, через которое СК может загружаться в рабочую зону перед проведением сеанса КЭ.

Загрузка и выгрузка СК в рабочую зону МБ будет осуществляться с использованием бокса загрузки, изготовленного из ферромагнитного материала экранирующего магнитное поле. Такая схема загрузки позволит предотвратить выход магнитного поля из объема рабочей зоны во внешнее пространство, что устранит его негативное воздействие на экипаж и аппаратуру МКС.

1.6 Изменение положения модулей постоянных магнитов внутри корпуса МБ будет осуществляться при помощи механизмов перемещения с использованием электродвигателя или ручным приводом с использованием подвижного болта и вращающейся гайки. Вариант схемы механизма перемещения магнитных модулей будет выбран на этапе разработки ТЗ на аппаратуру «Кумаг».

1.7 Постоянные магниты в магнитных модулях должны быть ориентированы одноименными полюсами навстречу друг другу. Такое расположение постоянных магнитов и магнитопроводов в магнитном блоке позволит генерировать в рабочей зоне магнитную ловушку антипробкотронного типа.

1.8 СК предназначен для размещения внутри него экспериментальной ампулы (ЭА), содержащей исследуемый модельный материал – дисперсную среду (см. Приложение 4). Внутри СК также будут размещены лазер и люминесцентная светопластина для подсветки; и две телекамеры для видеосъёмки динамики модельных материалов в ампулах.

1.9 Для механического воздействия на модельные материалы к наружной поверхности экспериментальной ампулы будет прикреплен компактный механический шейкер. Динамические характеристики шейкера – частота и интенсивность вибрации будут определены на этапе наземной отработки КЭ.

1.10 В части экспериментальных ампул, предназначенных для изучения динамики заряженных дисперсных сред, будут размещены два металлических электрода. Это позволит во время выполнения сеанса КЭ, создавать в объёме экспериментальной ампулы необходимое постоянное или переменное электрическое поле с напряжением между электродами от 1 до 150 В.

1.11 Для измерения величины индукции магнитного поля, действующего на модельный материал, внутри каждого СК будут размещены два датчика Холла. Датчики будут размещены в центрах поверхностей торцевых крышек сменных контейнеров.

1.12 Бокс загрузки сменных контейнеров (БЗ) предназначен для размещения СК в рабочей зоне МБ перед проведением сеанса КЭ и извлечения СК из МБ по завершению сеанса КЭ.

Загрузка и выгрузка СК в рабочую зону МБ будет осуществляться с использованием бокса загрузки, изготовленного из ферромагнитного материала, экранирующего магнитное поле. Такая схема загрузки позволит предотвратить выход магнитного поля из объема рабочей зоны во внешнее пространство, что устранит его негативное воздействие на экипаж и аппаратуру МКС.

1.13 Между БПУ и СК аппаратуры «Кумаг» будет обеспечен электрический интерфейс питания (телекамер, подсветки, шейкера, электродов, датчиков) и передачи телевизионных изображений. Также по кабелю между СК и БПУ будет передаваться информация о значениях величин индукции магнитного поля в центрах торцевых крышек СК.

 

Ожидаемые результаты:

В ходе реализации сеансов КЭ «Кулон-магнит» на РС МКС будет получена видеоинформация о динамике макрочастиц в антипробкотронном магнитном поле в условиях микрогравитации. Снятые в ходе эксперимента видеофайлы будут обработаны с помощью специального программного обеспечения, из них будут получены пространственные координаты частиц и их скорости.

В рамках космического эксперимента будут исследованы следующие актуальные вопросы современной физики:

- динамика ансамблей активных монодисперсных и полидисперсных макрочастиц в магнитном поле в условиях микрогравитации;

- фазовые переходы в открытых диссипативных кулоновских структурах в магнитных полях;

- динамика дефектов и дислокаций в кулоновских структурах заряженных макрочастиц;

- эволюция структур активных макрочастиц при кинетическом разогреве пылевых макрочастиц лазерным излучением;

- сравнение экспериментальных данных, полученных на МКС, с результатами теоретических моделей динамики сред в неоднородных магнитных полях в условиях микрогравитации.

Результаты эксперимента найдут применение в прикладной и образовательно-демонстрационной областях исследований по физике.

Прикладная составляющая эксперимента включает анализ технических возможностей предлагаемого метода безоконтактного удержания модельных сред в состоянии левитации. Будут определены размеры зоны удержания в зависимости от магнитных характеристик материала частиц, конфигурации и интенсивности магнитного поля в рабочем объёме экспериментального блока и уровня микрогравитационных возмущений в месте размещения блока на РС МКС.

Образовательно-демонстрационная составляющая эксперимента «Кулон-магнит» доступна студентам вузов. На основе этого эксперимента может быть изложен следующий материал:

- магнитные поля в природе;

- история изучения магнитных явлений;

- магнитные свойства веществ;

- магнитные материалы и их использование в науке и технике;

- теорема Ирншоу;

- динамика тел в магнитном поле;

- эксперименты Фарадея по магнетизму;

- опыты Томсона с кулоновскими кластерами;

- опыт Эйнштейна - де Гааза;

- магнитное удержание плазмы;

- коллоидные системы;

- активные броуновские частицы;

- физика открытых диссипативных систем;

- самоорганизация;

- эволюции структур активных макрочастиц;

- динамические фазовые переходы;

- левитация и её использование в науке и технике.

- особенности влияния магнитного поля на динамику различных веществ и сред;

- диамагнитная левитация в магнитном поле;

- сильнонеидеальные кулоновские системы;

Уровень изложения материала может располагаться в диапазоне от научно-популярного до академического. Демонстрация физических опытов, выполненных на борту Российского сегмента Международной космической станции, позволит учащимся ознакомиться с фундаментальными законами физики.

КЭ «Кулон-магнит» предполагается первым в серии экспериментов космического практикума по физике магнитного поля и дисперсных сред в условиях микрогравитации. В рамках практикума будут экспериментально изучаться поведение в магнитном поле твёрдых тел, жидкостей и пылевых сред. На примере эксперимента «Кулон-магнит» учащиеся ознакомятся с основными организационными этапами подготовки и проведения научных исследований на РС МКС. Это поможет привлечению способной и увлечённой наукой молодёжи к серьезным исследованиям.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: 5 лет, начиная с 2018 г.
Состояние эксперимента: Новый
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)
Организации участники: ООО «НПП «Лазерные системы», г. Санкт-Петербург, Генеральный директор, Морозов Алексей Владимирович; МАИ, г. Москва, Равикович Юрий Александрович, Проректор по научной работе, профессор, д.т.н.
Научный руководитель: Петров Олег Федорович, ОИВТ РАН, заместитель директора, академик, д.ф.-м.н., профессор
Публикации по эксперименту:

1. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Физика неидеальной плазмы. М.: Физматлит, 2004.

2. Фортов В.Е., Морфилл Г.Е., ред. Комплексная и пылевая плазма из лаборатории в космос. М.: Физматлит, 2012.

3. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков О.Ф., Петров О.Ф., Пылевая плазма // УФН, том 174, вып. 5, стр. 495-544 (2004).

4. O.F. Petrov, M.I. Myasnikov, D'yachkov L.G., M.M. Vasiliev, V.E. Fortov, S.F. Savin, A. Yu. Kaleri, A.I. Borisenko, G.E. Morfill, Coulomb clusters of dust particles in a cusp magnetic trap under microgravity conditions // Phys. Rev. E 86, 036404, (2012).

5. Savin S.F., D'yachkov L.G., Vasiliev M.M., Petrov O.F. and Fortov V.E. Clasters of charged diamagnetic particles levitating in nonuniform magnetic field // EPL, Vol. 88. P. 64002p1-64002p6, (2009).

6. S.F. Savin, L.G. D’yachkov, M.I. Myasnikov, O.F. Petrov and V.E. Fortov, The formation of Coulomb clusters in a magnetic trap // Phys. Scr. 85, 035403, (2012).

 

Последнее обновление: 19.11.2018

Информационная справка

Программы

Изображения