Эксперименты на МКС с Сергеем Кудь-Сверчковым

15.03.21 09:46

Эксперимент «Плазменный кристалл»

Цель:

  • Этап 1а. Исследование плазменно-пылевых структур в газоразрядной плазме высокочастотного емкостного разряда.
  • Этап 1б. Исследование плазменно-пылевых структур в плазме тлеющего разряда постоянного тока.
  • Этап 2. Исследование воздействия УФ-спектра космического излучения на поведение ансамбля макрочастиц, заряжающихся путем фотоэмиссии.
  • Этап 3. Исследование плазменно-пылевых структур в условиях открытого космоса при воздействии УФ-излучения Солнца, плазменных потоков и ионизирующих излучений.

Описание эксперимента:

Эксперимент (Этап 1а) заключается в создании в рабочей камере аппаратуры «Плазменный кристалл-3» (использовалась с 2001 по 2006 г.г.) и «Плазменный кристалл-3 Плюс» плазмы высокочастотного разряда с заданными параметрами, автоматическом вводе в плазму пылевых частиц требуемого размера, видеорегистрации образующихся плазменно-пылевых структур при изменениях параметров плазмы.

В ходе КЭ осуществляется передача видеоизображений на Землю через телевизионную систему РС МКС, а также сброс цифровых данных. Эксперимент проводится при отсутствии динамических режимов МКС и вне зоны выполнения физических упражнений членами экипажа.

 

Ожидаемые результаты:

Условия микрогравитации позволяют исследовать процессы взаимодействия частиц микронных размеров в плазме, образования плазменно-пылевых кристаллов без искажения силой тяжести, что недостижимо в земных условиях.

Результаты эксперимента дадут новые знания для следующих возможных практических приложений:

  • создание покрытий при контролируемом осаждении взвешенных в плазме частиц на подложку;
  • удаление пылевых частиц при плазменном травлении;
  • сепарация пылевых частиц по размерам .

Полученные результаты:

 

Исследования, проведенные на аппаратуре «Плазменный кристалл-3», позволили обнаружить ряд совершенно новых эффектов в плазме с сильно заряженными макрочастицами:

  • впервые обнаружено формирование трехмерных упорядоченных структур сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности (трехмерный плазменный кристалл) с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками;
  • открыто одновременное сосуществование гранецентрированных и гексагональных структур;
  • осуществлено возбуждение волн пылевой компоненты, что дает возможность получения дисперсионных соотношений и исследования характера волн;
  • обнаружены нелинейные волны плотности пылевой компоненты;
  • обнаружено существование областей с конвективным движением заряженных макрочастиц в плазменной жидкости («плазменно-пылевые вихри»), поведение частиц в которых существенно отличается от наблюдаемых в условиях гравитации.
  • продемонстрирована возможность исследования роста микрочастиц в условиях микрогравитации.

В выполненных исследованиях на установке «Плазменный кристалл-3 Плюс» было продемонстрировано, что при наложении внешнего электрического поля пылевая плазма представляет собой аналог электрореологической жидкости. Исследование свойств пылевой плазмы как аналога электрореологической жидкости, выполняемой на кинетическом уровне, дает возможность получения новых знаний о процессах в таких жидкостях, имеющих различные технологические приложения. Были выполнены первые эксперименты по исследованию неравновесных фазовых переходов в бинарной пылевой плазме. При взаимопроникновении облаков микрочастиц различного диаметра возможно спонтанное образование стабильных пространственных структур ( линий, цепочек или проходов). Формирование таких структур наблюдается в природе, когда два потока частиц движутся навстречу друг другу под действием некоторой силы. Наблюдаемое явление представляет собой неравновесный переход и зависит от особенностей и динамики взаимодействия частиц.

В выполненных исследованиях была также продемонстрирована возможность исследования переходов между жидкостной и твердой фазах (кристаллизация и плавление) в трехмерной плазменно-пылевой системе. Обнаружено, что кристаллизация такой системы происходит при уменьшении давления плазмообразующего газа, что прямо противоположно поведению двумерной плазменно-пылевой системы, широко используемой в наземных лабораторных исследованиях. Из полученных данных следует, что процессы кристаллизации и плавления в больших трехмерных пылевых системах имеют много общего с молекулярными системами и системами мягкой материи (soft matter), изучаемыми в настоящее время в других лабораториях, используя, например, коллоиды.

Обнаружено возникновение самовозбуждающихся волн сжатия вблизи области двойного слоя пространственного заряда, которые распространялись в направлении ионного потока. Получены дисперсионные соотношения пылезвуковых волн, возбуждаемых в пылевой компоненте при наложении внешнего низкочастотного поля.

Были выполнены исследования распада пылевой плазмы при различных размерах частиц, давлениях и концентрации плазмы. Наблюдалась агломерация пылевых частиц, и ее ускорение при воздействии переменным низкочастотным электрическим полем. При исследовании агломерации пылевой плазмы без наложения внешнего поля обнаружено образование больших агломератов, сохраняющих свою форму при последующем включении плазмы.

 

Сообщить об ошибке в тексте

Фрагмент текста с ошибкой:

Правильный вариант:

При обнаружении ошибки в тексте Вы можете оповестить нас о ней. Для этого нужно выделить мышкой часть текста с ошибкой и нажать комбинацию клавиш "Ctrl+Enter".