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

Целью проведения научно-образовательного космического эксперимента «Кулон-плазма» является демонстрация и изучение динамического поведения и пространственных структур, образуемых заряженными активными броуновскими макрочастицами в газоразрядной плазме в условиях микрогравитации; участие студентов и аспирантов вузов в подготовке и проведении КЭ по изучению динамического поведения дисперсных сред в низкотемпературной плазме в условиях микрогравитации на РС МКС.

 

Описание эксперимента:

Космический эксперимент «Кулон-плазма» является научно-образовательным и преследует две цели:

- научная – изучение динамического поведения и пространственных структур, образуемых заряженными дисперсными макрочастицами в газоразрядной плазме в условиях микрогравитации;

- образовательная и демонстрационная – участие студентов и аспирантов вузов в подготовке и проведении КЭ по изучению динамического поведения дисперсных сред в низкотемпературной плазме в условиях микрогравитации на РС МКС.

Обоснование:

Для исключения влияния силы гравитации на динамику и пространственные структуры, образуемые заряженными дисперсными частицами в газоразрядной плазме, предлагается выполнять сеансы эксперимента в условиях микрогравитации на РС МКС.

В подготовке, реализации и анализе результатов КЭ будут принимать участие студенты и аспиранты вузов, обучающиеся по специальности «физика плазмы».

Пути выполнения:

В ходе подготовки и реализации космического эксперимента предполагается выполнение следующих задач:

- отработать режимы формирования плазмы газового разряда в экспериментальных ампулах, содержащих дисперсные макрочастицы;

- разработать и изготовить экспериментальную аппаратуру, позволяющую на борту РС МКС формировать комплексную плазму в сменных контейнерах и проводить видеорегистрацию дисперсных частиц;

- информация по космическому эксперименту будет передаваться в ЦУП по каналу РСПИ и доставляться на Землю на жестких дисках в составе спускаемых аппаратов ПГК.

Ожидаемые результаты:

Информация о параметрах газового разряда, пространственном расположении и скоростях дисперсных макрочастиц комплексной плазмы в экспериментальных ампулах в условиях микрогравитации.

Перспективы использования:

В ходе реализации космического эксперимента «Кулон-плазма» будет получена новая информация по физике сильнонеидеальной комплексной плазмы, физике кулоновских систем, а также по физике фазовых переходов и самоорганизованных структур.

К проведению разработки научной аппаратуры «Куплаз», её изготовлению, наземной отработки, выполнению сеансов космического эксперимента на РС МКС и анализу результатов эксперимента будут привлечены студенты и аспиранты по специальности «Физика плазмы» МФТИ (ТУ). Проведенные работы будут использованы в научно-образовательном процессе при подготовке студентов и аспирантов с использованием лабораторных практикумов.

 

Новизна эксперимента:

Для экспериментального исследования эволюции открытых диссипативных структур будет использоваться уникальный объект - структуры, формируемые активными частицами микронного размера в плазме в условиях микрогравитации. Заряжаясь в результате различных процессов, они приобретают значительный отрицательный или положительный электрический заряд (~102-105 зарядов электрона) [J. E. Allen, Physica Scripta, 45, Number 5, 497 (1992)]. Такие заряженные частицы эффективно взаимодействуют как между собой, так и с внешними электрическими (или магнитными) полями. Совместное действие внешних сил и сил межчастичного взаимодействия с процессами диссипации в таких системах может приводить к формированию как квазистационарных плазменно-пылевых структур (подобных жидкости или твердому телу), так и к сложным колебательным или хаотическим режимам [Complex and Dusty Plasmas, ed. by V. E. Fortov and G. E. Morfill, CRC Press (2010)].

Плазменно-пылевые структуры активных частиц в газовом разряде являются существенно открытыми и диссипативными системами, т.к. при поддержании разряда существует постоянный приток энергии, которая в ходе эксперимента рассеивается при взаимодействии пылинок с частицами окружающей плазмы. Приток энергии обусловлен постоянным потоком плазменных частиц на пылинки, а диссипация – вязким трением о нейтральную компоненту (буферный газ).

Технические возможности аппаратуры «Куплаз» позволят проводить исследования по физике пылевой плазмы в сильнонеидеальных системах активных макрочастиц. В экспериментах для формирования плазменно-пылевых облаков планируется использовать частицы с металлическим покрытием, благодаря которому они будут вести себя как активные броуновские частицы, с преобразованием энергии лазерного излучения в кинетическую энергию собственного движения, возрастающую с повышением мощности внешнего лазерного излучения.

При кинетическом нагреве (увеличении кинетической энергии хаотического движения) пылевых частиц лазерным излучением впервые в условиях микрогравитации будет проведено экспериментальное изучение эволюции плазменно-пылевых структур, в том числе кинетических фазовых переходов. Эксперименты позволят получить не только новую научную информацию, но также будут использованы в образовательном процессе на этапах разработки аппаратуры, подготовки и выполнения экспериментов, а также при обработке и анализе результатов. Функциональными аналогами аппаратуры «Куплаз» является аппаратура «Плазменный кристалл-3» и «Плазменный кристалл-4». Отличие заключается в том, что в аппаратуре «Куплаз» будут использоваться сменные контейнеры с экспериментальными ампулами уже на Земле заправленные дисперсными материалами и инертными газами для изучения систем активных броуновских макрочастиц. Использование сменных контейнеров в эксперименте (суммарно около 20 шт.) обеспечит возможность работы с широким спектром материалов макрочастиц по составу, дисперсности и свойствам поверхности при проведении исследований. В том числе с макрочастицами с металлическим покрытием, благодаря которому они будут вести себя как активные броуновские частицы, с преобразованием энергии лазерного излучения в кинетическую энергию собственного движения. Подобные работы не могут быть выполнены с имеющейся аппаратурой «Плазменный кристалл-4». В тоже время работа со сменными контейнерами позволяет избавиться от необходимости использовать вакуумные насосы и систему вакуумирования РС МКС, и существенно упрощает конструкцию аппаратуры и управление ею при выполнении сеансов эксперимента на РС МКС. Сменные контейнеры будут доставляться на РС МКС поэтапно партиями, по четыре контейнера в экспедицию. Это позволит учитывать результаты ранее проведенных сеансов эксперимента в последующих исследованиях КЭ «Кулон-плазма». Таким образом, использование на борту РС МКС научной аппаратуры «Куплаз» космического эксперимента «Кулон-плазма» позволит провести пионерские научные исследования по физике открытых диссипативных систем и образовательно-демонстрационные опыты в условиях микрогравитации.

 

Научная аппаратура:

Для проведения сеансов космического эксперимента «Кулон-плазма» на борту РС МКС будет использоваться вновь разрабатываемая научная аппаратура «Куплаз».

1. Состав аппаратуры

Аппаратура «Куплаз» включает в себя следующие средства:

- блок «Куплаз»;

- комплект сменных контейнеров «Кулон-СКП» (20 шт.);

- карта памяти «Кулон-КПП».

Привлекаемые средства РС МКС включают в себя:

- бортовой лэптоп (из состава ИУС);

- жесткий диск (из состава КСПЭ);

- фото и видеоаппаратуру (из состава КСПЭ).

2. Блок «Куплаз» предназначен для изучения динамики поведения модельных дисперсных сред в низкотемпературной электрон-ионной газоразрядной плазме постоянного и переменного тока и включает модуль питания и управления (МПУ), зондовый модуль (ЗМ), а также оптический модуль (ОМ).

3. Модуль питания и управления блока «Куплаз» предназначен для электропитания и управления работой зондового модуля и оптического модуля. Модуль питания и управления также предназначен для записи видеоинформации и сопроводительной информации по сеансу эксперимента на карту памяти «Кулон-КПП». Модуль питания и управления должен иметь в своем составе дисплей для наблюдения движения модельных материалов в экспериментальной ампуле в сеансе эксперимента и отображения текущей информации о состоянии блока «Куплаз».

3.1. Зондовый модуль блока «Куплаз» предназначен для размещения в нем сменных контейнеров, включающих прозрачные экспериментальные ампулы с дисперсными модельными материалами для зондовых измерений.

3.2. Оптический модуль блока «Куплаз» предназначен для подсвечивания и видеосъёмки модельных материалов в экспериментальных ампулах сменных контейнеров «Кулон-СКП», размещаемых в рабочей зоне зондового модуля.

3.3 Комплект сменных контейнеров «Кулон-СКП» предназначен для размещения в них прозрачных экспериментальных ампул с модельными дисперсными средами. Во время выполнения сеанса КЭ сменный контейнер «Кулон-СКП» размещается в рабочей зоне зондового модуля.

3.4 Электропитание блока «Куплаз» осуществляется от источника постоянного тока СУБА.

 

Ожидаемые результаты:

В ходе реализации сеансов КЭ «Кулон-плазма» на РС МКС будет получена видеоинформация о движении модельных дисперсных сред в плазме постоянного тока и плазме высокочастотного разряда 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. Броуновское движение макрочастиц на различных временных масштабах будет изучено путём анализа зависимости среднеквадратичного смещения от времени.

В рамках научного направления предлагаемого эксперимента будут исследоваться следующие актуальные вопросы современной физики:

- фазовые переходы и изучение динамики активных броуновских частиц в газразрядной плазме;

- структурные фазовые переходы в открытых диссипативных плазменно-пылевых системах;

- гомогенная и гетерогенная кристаллизация плазменно-пылевых систем;

- динамика дефектов и дислокаций в структурах плазменно-пылевых системах;

- динамика переохлажденных плазменно-пылевых жидкостей;

- кинетика стеклования плазменно-пылевых жидкостей;

- волновые и ударные процессы в плазменно-пылевых системах.

Результаты эксперимента «Кулон-плазма» предлагается использовать:

- в учебном процессе студентов и аспирантов вузов;

- для решения научно-практических задач материаловедения, при разработке моделей кристаллизации, плавления, отжига, кинетики стеклования, фазовых переходов и т.п.

Образовательная составляющая эксперимента доступна студентам вузов. На примере этого эксперимента может быть изложен следующий материал по физике плазмы:

- плазма, критерий неидеальности;

- неидеальная плазма в природе и в лаборатории;

- технические приложения неидеальной плазмы;

- история изучения неидеальной плазмы;

- методы генерации неидеальной плазмы;

- сильносвязанные кулоновские системы;

- активные броуновские частицы;

- кристалл Вигнера;

- Клаус Фукс и кулоновские кристаллы;

- фазовые переходы в неидеальной плазме;

- металлизация неидеальной плазмы;

- однозарядная плазма;

- пылевая плазма;

- эксперименты с пылевой плазмой в лаборатории и в космосе.

Уровень изложения материала может располагаться в диапазоне от научно-популярного до академического. На примере эксперимента «Кулон-плазма» учащиеся ознакомятся с основными организационными этапами подготовки и проведения научных исследований по физике плазмы на РС МКС. Это поможет привлечению способной и увлечённой наукой молодёжи к серьезным исследованиям.

При разработке перспективных плазменных технологий дисперсные частицы играют большую роль. Примерами таких технологий являются плазменное травление поверхностей, плазменное осаждение из газовой фазы, плазменные ракетные двигатели. В этих областях результаты космического эксперимента «Кулон-плазма» могут найти свое применение.

 

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
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. В.Н. Цытович, О перспективах экспериментальных и теоретических исследований самоорганизованных пылевых структур в комплексной плазме в условиях микрогравитации // УФН, Том 185, №2 (2015).

 

Последнее обновление: 06.02.2018

Информационная справка

Программы

Изображения