CC BY
13УДК 629.78.001.891.55
ПОДГОТОВКА КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «КУЛОН-ПЛАЗМА»
© 2019 г. Дьячков Л.Г.1, Васильев М.М.12, Петров О.Ф.12, Савин С.Ф.3, Чурило И.В.3
'Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)
Ул. Ижорская, д. 13, стр. 2, г. Москва, Российская Федерация, 125412, e-mail: ihed@ras.ru
2Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет) (МФТИ) Институтский пер., 9, г. Долгопрудный, Московская обл., Российская Федерация, 141701,
e-mail: info@mipt.ru
3Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
Исследования пылевой плазмы активно проводятся уже около четверти века во многих лабораториях на Земле, а также в условиях микр о гравитации на борту Международной космической станции. В настоящее время идет подготовка к новому эксперименту. В работе описаны цели и задачи эксперимента, его особенности и отличие от предыдущих экспериментов, объясняется необходимость его проведения в условиях микр о гравитации. Задачей эксперимента является изучение эволюции открытых диссипативных систем сильно взаимодействующих макрочастиц в газоразрядной плазме, получение данных о фазовых переходах и динамике активных броуновских частиц, динамике дефектов и дислокаций в структурах плазменно-пылевых систем.
Ключевые слова: пылевая плазма, микрогравитация, космический эксперимент, открытые термодинамические системы, активные броуновские частицы.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-4-5-11
PREPARATION OF THE COSMIC EXPERIMENT «COULOMB-PLASMA» D'yachkov L.G.1, Vasiliev M.M.12, Petrov O.F.12, Savin S.F.3, Churilo I.V.3
Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (JIHT RAS) 13 bld. 2 izhorskaya str., Moscow, 125412, Russian Federation, e-mail: ihed @ras.ru
2Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) 9 institutskiy per., Dolgoprudny, Moscow region, 141701, Russian Federation, e-mail: info@mipt.ru
3S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
Studies of dusty plasma have been actively carried out for about a quarter of a century in many laboratories on Earth, and on board the international Space Station under microgravity conditions. At present, a new experiment is being prepared. We describe the goals and objectives of the experiment, its features and differences from previous experiments, explain the need for it in microgravity. The objective of the experiment is to study the evolution of the open dissipative systems of strongly interacting macroparticles in a gas-discharge plasma, to obtain data on phase transitions and dynamics of active Brownian particles and dynamics of defects and dislocations in plasma-dust structures.
Key words: dusty plasma, microgravity, cosmic experiment, open thermodynamic systems, active Brownian particles.
ДЬЯЧКОВ Лев Гавриилович — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ОИВТ РАН, e-mail: dyachk@mail.ru
D'YACHKOV Lev Gavriilovich — Doctor of Science (Physics and Mathematics), Lead research scientist at JIHT RAS, e-mail: dyachk@mail.ru
ВАСИЛЬЕВ Михаил Михайлович — доктор физико-математических наук, заместитель директора ОИВТ РАН, старший научный сотрудник лаборатории физики активных сред и систем МФТИ, e-mail: mixxy@mail.ru
VASILIEV Mikhail Mikhailovich — Doctor of Science (Physics and Mathematics), Deputy Director of JIHT RAS, Senior research scientist of Laboratory for physics of active matter and systems MIPT, e-mail: mixxy@mail.ru
ПЕТРОВ Олег Федорович — академик РАН, директор ОИВТ РАН, заведующий лабораторией, главный научный сотрудник лаборатории физики активных сред и систем МФТИ, e-mail: ofpetrov@ihed.ras.ru
PETROV Oleg Fedorovich — RAS academician, Director of JIHT RAS, Chief research scientist, Head of Laboratory for physics of active matter and systems MIPT, e-mail: ofpetrov@ihed.ras.ru
САВИН Сергей Федорович — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: sergey.savin@rsce.ru
SAVIN Sergey Fedorovich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Lead research scientist at RSC Energia, e-mail: sergey.savin@rsce.ru
ЧУРИЛО Игорь Владимирович — кандидат технических наук, начальник отдела РКК «Энергия», e-mail: igor.churilo@rsce.ru
CHURILO Igor Vladimirovich — Candidate of Science (Engineering), Head of Department at RSC Energia, e-mail: igor.churilo@rsce.ru
чурило и.в.
Введение
В ближайшие годы планируется проведение новых экспериментов на борту Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС) по исследованию пылевой плазмы. В настоящее время разрабатывается соответствующая аппаратура для космического эксперимента (КЭ) «Кулон-плазма» с учетом уже имеющегося опыта проведения экспериментов в условиях микрогравитации.
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий дисперсные частицы конденсированного вещества. 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 спутников Земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Пылевая плазма активно исследуется и в лабораторных условиях. Пылевые частицы могут не только образовываться самопроизвольно в результате различных процессов в плазме, но и при лабораторных исследованиях частицы с определенными заранее заданными свойствами могут преднамеренно вводиться в плазму. Размер макрочастиц, как правило, от нескольких нанометров до сотен микрометров.
Макрочастицы, находящиеся в плазме, приобретают электрический заряд и представляют собой дополнительный
дьячков л.г. ВАСИЛЬЕВ М.М.
заряженный компонент плазмы. На поверхности пылевых частиц происходит рекомбинация плазменных электронов и ионов. Поэтому пылевой компонент может существенно влиять на ионизационное равновесие. Заряд пылевых частиц не является фиксированным, а определяется параметрами окружающей плазмы и может изменяться как во времени, так и в пространстве. Легкие отрицательно заряженные электроны движутся в плазме во много раз быстрее положительных ионов, которые в тысячи раз тяжелее электронов. Поэтому потоки электронов на поверхность пылевых частиц значительно превышают потоки ионов. В результате пылинки приобретают отрицательный заряд, который увеличивается до тех пор, пока потоки электронов и ионов не сравняются, так как электроны будут отталкиваться частицей, а ионы — притягиваться. Но при определенных условиях пылевые частицы сами могут являться источником электронов, так как при достаточно высокой температуре частиц возможны термо-, фото-и вторичная электронные эмиссии. При высокой интенсивности этих процессов возможен положительный заряд пылевых частиц.
Несмотря на то, что впервые пылевая плазма наблюдалась И. Ленгмюром [1] в 1924 г., ее активное исследование началось лишь в конце 20-го века после того, как сразу в нескольких лабораториях разных стран мира удалось получить упорядоченные структуры пылевых частиц [2]. Интерес к пылевой плазме в большой степени связан с развитием целого ряда плазменных технологий: плазменной сепарации, плазменного травления, выращивания монокристаллов, разработки новых композитных материалов. Во всех этих случаях требуется понимание процессов образования и роста макрочастиц в газоразрядной плазме, механизма их переноса и влияния на свойства разряда. Кроме того, структуры пылевых частиц микронных размеров в плазме могут рассматриваться как модель вещества, на которой такие явления, как фазовые переходы, волны, процессы переноса и другие, могут наблюдаться визуально в режиме реального времени.
На сегодняшний день в исследовании плазменно-пылевых структур можно выделить несколько основных направлений:
• термодинамические свойства плаз-менно-пылевых структур [3];
• отклик пылевых структур в плазме на внешние воздействия [4];
• распространение волн и неустой-чивостей в пылевой плазме [5];
• пылевая плазма в условиях микрогравитации [6].
Следует заметить, что чаще всего пылевые структуры рассматриваются как замкнутые системы. Такой подход дает возможность описать многие явления: фазовые переходы, термодинамические и переносные процессы. Между тем, подавляющее большинство объектов в природе является открытыми системами. Это делает их более сложными для изучения. Термодинамика систем, далеких от равновесия, — активно развивающаяся область науки. Одно из самых интересных и практически значимых свойств открытых диссипативных систем — их способность к самоорганизации, т. е. возможность при переходе некоторого параметра через пороговое (критическое) значение совершать качественный скачок, так называемый кинетический фазовый переход. Классические примеры — образование ячеек Бенара при нагреве жидкости, переход течения жидкости или газа из ламинарного режима в турбулентный, возникновение когерентного лазерного излучения и проч.
В качестве отдельного класса открытых систем можно выделить системы так называемых активных броуновских частиц, т. е. частиц, способных преобразовывать энергию, получаемую извне, в собственную кинетическую энергию движения [7]. Примеры естественных «активных броуновских частиц» — подвижные клетки [8] и многоклеточные живые организмы [9]. Диапазон искусственных активных частиц широк. В основном это системы коллоидов с химически активной поверхностью [10]. Перспективным является также изучение активных наночастиц [11]. Исследование самоорганизации в системах активных частиц в последние годы вызывает особенный интерес. Так, актуальной является задача оптимизации транспортных процессов в активных средах [12]. В нашей работе [13] впервые исследован фазовый переход в квазидвумерной плазменно-пылевой структуре при кинетическом лазерном разогреве.
В то же время следует отметить, что экспериментального изучения активных броуновских частиц в пылевой плазме
до настоящего момента практически не проводилось. Изучение плазменно-пылевых систем как открытых диссипативных структур — пионерское направление исследований. Исследованию таких структур будут посвящены планируемые в ближайшее время эксперименты на РС МКС в рамках КЭ «Кулон-плазма».
необходимость проведения экспериментов в условиях микрогравитации
При проведении экспериментов с пылевой плазмой в условиях наземных лабораторий необходимо принимать во внимание силы гравитации, действующие на дисперсные макрочастицы. Плазменно-пылевые системы, изучаемые в наземных условиях, являются анизотропными и сильно неоднородными в вертикальном направлении. Пример пылевой структуры в стратифицированном разряде постоянного тока показан на рис. 1. Стратификация разряда необходима, чтобы электрическое поле было неоднородным. Только в этом случае для каждой частицы найдется положение устойчивого равновесия в области страты с градиентом поля, направленным вниз. Тогда сила тяжести будет скомпенсирована электрической силой, а при случайном отклонении от точки равновесия баланс сил нарушится, и частица вернется в положение равновесия. Поскольку пылевые частицы всегда имеют некоторый разброс по массе и другим параметрам, а также взаимодействуют между собой, они занимают некоторую область по высоте страты. В однородном поле нестрати-фицированного положительного столба баланс сил может соблюдаться, но равновесие не будет устойчивым.
Эксперименты, выполненные на станции «Мир» и РС МКС, показали, что в условиях микрогравитации дисперсные макрочастицы могут занимать весь объем плазмы в рабочей зоне. Это обстоятельство позволяет изучать пылевые системы, которые изотропны, однородны и не испытывают деформирующего влияния силы тяжести. Условия микрогравитации, существующие на РС МКС, имеют большое значение при выполнении точных исследований фазовых переходов в системах активных броуновских частиц. Эксперименты с пылевой плазмой, направленные на изучение фазовых переходов в таких системах, требуют
особой точности и возможности регулирования ее параметров. Эти цели будут достигнуты при исследовании пылевой плазмы в условиях микрогравитации на борту РС МКС в КЭ «Кулон-плазма».
Рис. 1. Пылевая структура в стратифицированном разряде постоянного тока в лабораторных условиях на Земле
При разработке научной аппаратуры «Кулон-плазма» и подготовке сеансов эксперимента в условиях космического полета на борту РС МКС учитывается опыт, полученный при выполнении серии КЭ «Плазменный кристалл» [6].
Сеансы КЭ «Кулон-плазма» сможет выполнять один член экипажа РС МКС, но в некоторых случаях может потребоваться помощь второго космонавта, который будет проводить видеосъемку первого, выполняющего эксперимент и рассказывающего о нем. Рис. 2 демонстрирует проведение эксперимента на борту РС МКС. После выполнения серии сеансов КЭ на Землю будет доставлен компьютерный жесткий диск, содержащий информацию по эксперименту. Небольшие объемы оперативной информации при необходимости могут быть переданы при сеансах связи с центром управления полетом, как это практиковалось в серии экспериментов «Плазменный кристалл» и «Кулоновский кристалл».
Рис. 2. Космонавт Сураев М.В. выполняет сеанс эксперимента «Кулоновский кристалл» на борту РС МКС
Особенности новых экспериментов
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 элементарных зарядов). 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 различной степени упорядоченности (подобных жидкости или твердому телу), так и к сложным колебательным или хаотическим режимам [14]. Плазменно-пылевые структуры активных частиц в газовом разряде являются существенно открытыми и диссипативными системами, так как 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 «Кулон-плазма» позволят проводить исследования по физике пылевой плазмы в сильно неидеальных 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, преобразующие энергию 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 т. ч. кинетических фазовых переходов.
Функциональными аналогами аппаратуры «Кулон-плазма» являются «Плазменный кристалл-3» и «Плазменный кри-сталл-4». Главное отличие заключается в том, что в аппаратуре «Кулон-плазма» будут использоваться сменные контейнеры с экспериментальными ампулами, которые уже на Земле заполнены дисперсными материалами и инертными газами для изучения систем активных броуновских макрочастиц. Объем ампулы ~1 л, давление инертного газа (аргона или неона) в ней не превышает 1 мм рт. ст.
Использование сменных контейнеров в эксперименте (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 то же 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 каждую экспедицию. Это позволит учитывать результаты ранее проведенных сеансов эксперимента в последующих исследованиях. Новая
аппаратура позволит провести пионерские научные исследования по физике открытых диссипативных систем.
В рамках планируемого эксперимента будут исследоваться следующие актуальные вопросы современной физики: фазовые переходы и изучение динамики активных броуновских частиц в газоразрядной 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 систем; динамика переохлажденных плазменно-пылевых жидкостей; кинетика стеклования плазменно-пылевых жидкостей; волновые и ударные процессы в плазменно-пылевых системах.
заключение
На основе богатого опыта проведения экспериментов с пылевой плазмой в условиях микрогравитации разрабатывается аппаратура и методика проведения нового КЭ «Кулон-плазма» на борту РС МКС. Целью этого эксперимента является исследование поведения открытых диссипативных систем активных броуновских частиц. Таковыми являются, например, коллоиды с химически активной поверхностью, живые микроорганизмы и многие другие, способные преобразовывать получаемую извне энергию в энергию собственного движения. В последние годы интерес к исследованию поведения открытых систем значительно повысился. В статье показано, почему эти исследования целесообразно проводить в условиях микрогравитации.
Список литературы
1. Langmuir I., Found C.G., Dittmer A.F. А new type of electric discharge: the streamer discharge // Science. 1924. V. 60. P. 392-394.
2. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А, Молотков В.И., Петров О.Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. № 5. С. 495-544.
3. Feng Y., Lin W, Li W, Wang Q. Equations of state and diagrams of two-dimensional liquid dusty plasmas // Phys. Plasmas. 2016. V. 23. № 9. P. 093705.
4. Sukhinin G.I., Fedoseev A.V., Salnikov M.V. Polarization of a dust particle and surrounded plasma in an external electric field // Contrib. Plasma Phys. 2016. V. 56. № 5. P. 397-402.
5. Williams J. Three-dimensional rogue waves have been observed in a dusty-plasma system, which provides a wave-particle interaction view on their formation // Nature Phys. 2016. V. 12. № 6. P. 529-530.
6. Molotkov V., Thomas H., Lipaev A., Naumkin V., Ivlev A.V., Khaprak S. Complex (dusty) plasma research under microgravity conditions: PK-3 Plus Laboratory on the International Space Station // Int. J. Microgravity Science and Application. 2016. V. 33. № 3. P. 320302.
7. Bechinger C., Leonardo R. D., Löwen H., Reichhardt C, Volpe G., Volpe G. Active particles in complex and crowded environments // Rev. Mod. Phys. 2016. V. 88. № 4. P. 045006.
8. Selmeczi D., Li L., Pedersen L.I.I., Nrrelykke S.F., Hagedorn P.H., Mosler S, Larsen N.B., Cox E.C., Flyvbjerg H. Cell motility as random motion: a review // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2008. V. 157. № 1. P. 1-15.
9. Komin N, Erdmann U., Schimansky-Geier L. Random walk theory applied to daphnia motion // Fluctuation and Noise Letters. 2004. V. 4. № 1. P. L151-L159.
10. Howse J.R., Jones R.A.L., Ryan A.J., Gough T., Vafabakhsh R., Golestanian R. Self-Motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99. № 4. P. 048102.
11. Paxton W.F., Kistler K.C., Olmeda C.C., Sen A., Angelo S.K.St., Cao Y., Mallouk T.E., Lammert P.E., Crespi V.H. Catalytic nanomotors: autonomous movement of striped nanorods // J. Amer. Chem. Soc. 2004. V. 126. № 41. P. 13424-13431.
12. Chen K., Wang B., Granick S. Memoryless self-reinforcing directionality in endosomal active transport within living cells // Nat. Mater. 2015. V. 14. № 6. P. 589-593.
13. Petrov O.F., Vasiliev M.M., Vaulina O.S., Stacenko K.B., Vasilieva E.V., Lisin E.A., Tun Y, Fortov V.E. Solid-hexatic -liquid transition in a two-dimensional system of charged dust particles//EPL. 2015. V. 111. № 4. P. 45002.
14. Комплексная и пылевая плазма. Из лаборатории в космос / Под ред. В. Фор-това и Г. Морфила. М.: Физматлит, 2012. 445 с. Статья поступила в редакцию 26.06.2019 г.
Reference
1. Langmuir I., Found C.G., Dittmer A.F. А new type of electric discharge: the streamer discharge. Science, 1924, vol. 60, pp. 392-394.
2. Fortov V.E., Khrapak A.G., Khrapak S.A., Molotkov V.I., Petrov O.F. Pylevaya plazma [Dusty plasmas]. UFN, 2004, vol. 174, no. 5, pp. 495-544.
3. Feng Y., Lin W., Li W, Wang Q. Equations of state and diagrams of two-dimensional liquid dusty plasmas. Phys. Plasmas, 2016, vol. 23, no. 9, p. 093705.
4. Sukhinin G.I., Fedoseev A.V., Salnikov M.V. Polarization of a dust particle and surrounded plasma in an external electric field. Contrib. Plasma Phys., 2016, vol. 56, no. 5, pp. 397-402.
5. Williams J. Three-dimensional rogue waves have been observed in a dusty-plasma system, which provides a wave-particle interaction view on their formation. Nature Phys., 2016, vol. 12, no. 6, pp. 529 -530.
6. Molotkov V., Thomas H., Lipaev A., Naumkin V., Ivlev A.V., Khaprak S. Complex (dusty) plasma research under microgravity conditions: PK-3 Plus Laboratory on the International Space Station. Int. J. Microgravity Science and Application, 2016, vol. 33, no. 3, p. 320302.
7. Bechinger C, Leonardo R. D., Lowen H., Reichhardt C., Volpe G., Volpe G. Active particles in complex and crowded environments. Rev. Mod. Phys., 2016, vol. 88, no. 4, p. 045006.
8. Selmeczi D., Li L., Pedersen L.I.I., Nrrelykke S.F., Hagedorn P.H., Mosler S., Larsen N.B., Cox E.C., Flyvbjerg H. Cell motility as random motion: a review. Eur. Phys. J. Spec. Top., 2008, vol. 157, no. 1, pp. 1-15.
9. Komin N., Erdmann U, Schimansky-Geier L. Random walk theory applied to daphnia motion. Fluctuation and Noise Letters, 2004, vol. 4, no. 1, pp. L151-L159.
10. Howse J.R., Jones R.A.L., Ryan A.J., Gough T., Vafabakhsh R., Golestanian R. Self-Motile colloidal particles: from directed propulsion to random walk. Phys. Rev. Lett., 2007, vol. 99, no. 4, p. 048102.
11. Paxton W.F., Kistler K.C., Olmeda C.C., Sen A., Angelo S.K.St., Cao Y., Mallouk T.E., Lammert P.E., Crespi V.H. Catalytic nanomotors: autonomous movement of striped nanorods. J. Amer. Chem. Soc., 2004, vol. 126, no. 41, pp. 13424-13431.
12. Chen K., Wang B., Granick S. Memoryless self-reinforcing directionality in endosomal active transport within living cells. Nat. Mater., 2015, vol. 14, no. 6, pp. 589-593.
13. Petrov O.F., Vasiliev M.M., Vaulina O.S., Stacenko K.B., Vasilieva E.V., Lisin E.A., Tun Y., Fortov V.E. Solid-hexatic-liquid transition in a two-dimensional system of charged dust particles. EPL, 2015, vol. 111, no. 4, p. 45002.
14. Kompleksnaya i pylevaya plazma. Iz laboratorii v kosmos [Complex and dusty plasmas. From laboratory to space]. Ed. by V. Fortov, G. Morfil. Moscow, Fizmatlitpubl., 2012. 445p.
