Кулон-плазма

Кулон-плазма
Шифр эксперимента: Кулон-плазма
Направление НПИ: 5. Технологии освоения космического пространства
Секция КНТС: 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.
Сроки проведения: 2022-2024 гг.
Состояние эксперимента: Введен
Организация постановщик: ОИВТ РАН
Организации участники: АО «Лазерные системы», г. Санкт-Петербург; ПАО РКК «Энергия»; ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина; ЦУП-М (ЦНИИмаш)
Научный руководитель: Петров Олег Федорович, ОИВТ РАН, директор, 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).

5. Boltnev R.E., Vasiliev М.М., Petrov O.F., Kononov Е.А., Formation of solid helical filaments at temperatures of superfluid helium as self-organization phenomena in ultracold dusty plasma // NATURE, Scientific Reports, 2019.

6. Болтнев Р.Е., Васильев М.М., Кононов Е.А., Петров О.Ф., Явления самоорганизации в криогенной газоразрядной плазме: формирование пылевого облака наночастиц и плазменно-пылевых волн // ЖЭТФ, Т.153, Вып. 4, стр. 679–684, 2018.

7. G.I. Sukhinin, A.V. Fedoseev, M.V. Salnikov, A. Rostom, M.M. Vasiliev and O.F. Petrov, Plasma anisotropy around a dust particle placed in an external electric field // PHYSICAL REVIEW E, V.95, pp. 063207, 2017.

8. Мясников М.И., Дьячков Л.Г., Петров О.Ф., Васильев М.М., Фортов В.Е., Савин С.Ф., Серова Е.О., Кулоновский разлет диамагнитных пылевых частиц в антипробкотронной магнитной ловушке в условиях микрогравитации // ЖЭТФ, Т. 151, Вып. 2, стр. 372–378, 2017.

9. Федосеев А.В., Сальников М.В., Демин Н.А., Сухинин Г.И., Васильев М.М., Петров О.Ф., Experimental and numerical study of a dust cloud formation in the stratified positive column of a dc glow discharge in helium , PHYS PLASMAS , 2018 , 25 , 083710.

10. V. N. Naumkin, A. M. Lipaev, V. I. Molotkov, D. I. Zhukhovitskii, A. D. Usachev, and H. M. Thomas, Crystal–liquid phase transitions in three-dimensional complex plasma under microgravity conditions// Journal of Physics: Conference Series, 2018 , 946.

11. Knapek C. A., Huber P., Mohr D. P., Zaehringer E., Molotkov V. I., Lipaev A. M., Naumkin V., Konopka U., Thomas H. M., Fortov V. E., Ekoplasma - Experiments with Grid Electrodes in Microgravity , , 2018 , 1925 , UNSP 020004.

12. M. Schwabe, C.-R. Du, P. Huber, A. M. Lipaev, V. I. Molotkov, V. N. Naumkin, S. K. Zhdanov, D. I. Zhukhovitskii, V. E. Fortov, H. M. Thomas, Latest Results on Complex Plasmas with the PK-3 Plus Laboratory on Board the International Space Station, MICROGRAVITY SCI TEC, 2018 , 30 , 5 , 581–589.

13. Bin Liu, J. Goree, M. Y. Pustylnik, H. M. Thomas, V. E. Fortov, A. M. Lipaev, A. D. Usachev, V. I. Molotkov, O. F. Petrov, M. H. Thoma, Particle Velocity Distribution in a Three-Dimensional Dusty Plasma under Microgravity Conditions , , 2018 , 1925 , UNSP 020005.

14. L.G. Dyachkov, T.S. Ramazanov, O.F. Petrov, M.M. Vasiliev, M.I. Myasnikov, V.E. Fortov, K.N. Dzhumagulova, M.T. Gabdullin, M.K. Dosbolayev, Y.A. Ussenov, Zh.A. Moldabekov, S.F. Savin, T.A. Musabaev, Zh.Sh. Zhantayev, A.A. Aimbetov, Structure of a Coulomb cluster in the cusp magnetic trap under microgravity conditions , CONTRIB PLASM PHYS , 2018 , 58 , 10 , 940-945.

15. D. I. Zhukhovitskii, V. N. Naumkin, A. I. Khusnulgatin, V. I. Molotkov, and A. M. Lipaev, Dust coupling parameter of radio-frequency-discharge complex plasma under microgravity conditions , PHYS REV E , 2017 , 96 , 4 , 043204-1--043204-10.

16. V.I.Molotkov, V. N. Naumkin, A. M. Lipaev, D. I. Zhukhovitskii, A. D. Usachev, V. E. Fortov, H. M. Thomas, Experiments on phase transitions in three-dimensional dusty plasma under microgravity conditions , , 2017 , 927 , 1 , 012037-1--012037-5.

17. Schwabe M., Zhdanov S., Hagl T., Huber P., Lipaev A. M., Molotkov V. I., Naumkin V. N., Rubin-Zuzic M., Vinogradov P. V., Zaehringer E., Fortov V. E., Thomas H. M., Observation of metallic sphere-complex plasma interactions in microgravity , NEW J PHYS , 2017 , 19 , 103019.

18. A. G. Khrapak, V. I. Molotkov, A. M. Lipaev, D. I. Zhukhovitskii, V. N. Naumkin, V. E. Fortov, O. F. Petrov, H. M. Thomas, S. A. Khrapak, P. Huber, A. Ivlev, and G. Morfill, Complex Plasma Research under Microgravity Conditions: PK-3 Plus Laboratory on the International Space Station , CONTRIB PLASM PHYS , 2016 , 56 , 253.

19. T. S. Ramazanov, L. G. D’yachkov, K. N. Dzhumagulova, M. T. Gabdullin, M. K. Dosbolayev, Y. A. Ussenov, Zh. A. Moldabekov, O. F. Petrov, M. M. Vasiliev, M. I. Myasnikov, V. E. Fortov, S. F. Savin, T. A. Musabayev, Zh. Sh. Zhantayev, A. A. Aimbetov, Experimental investigations of strongly coupled Coulomb systems of diamagnetic dust particles in a magnetic trap under microgravity conditions , EPL-EUROPHYS LETT , 2016 , 116 , 4 , 45001-p1-p7.

20. MOLOTKOV V.I., THOMAS H.M., LIPAEV A.M., NAUMKIN V.N., IVLEV A.V., KHRAPAK S.A., Complex (dusty) plasma research under microgravity conditions: PK-3 Plus laboratory on the International Space Station , Int. J. Microgravity Sci. Appl. , 2015 , 35 , 3 , 320302.

21. Kazuo TAKAHASHI, Hubertus M. THOMAS, Vladimir I. MOLOTKOV, Gregor E. MORFILL, Satoshi ADACHI, Estimation of Plasma Parameters in Dusty Plasmas for Microgravity Experiments , Int. J. Microgravity Sci. Appl. , 2015 , 32 , 4 , 320409.

22. D. I. Zhukhovitskii, V. E. Fortov, V. I. Molotkov, A. M. Lipaev, V. N. Naumkin, H. M. Thomas, A. V. Ivlev, G. E. Morfill, M. Schwabe, Measurement of the speed of sound by observation of the Mach cones in a complex plasma under microgravity conditions , PHYS PLASMAS , 2015 , 22 , 02 , 023701.

23. D.I. Zhukhovitskii, V.I. Molotkov, V.E. Fortov, A scaling law for the dust cloud in radio frequency discharge under microgravity conditions , PHYS PLASMAS , 2014 , 21 , 6 , 063701.

24. A. Usachev, A. Zobnin, O. Petrov, V. Fortov, M.H. Thoma, H. Hoefner, M. Fink, A. Ivlev, G. Morfill, Externally excited planar dust acoustic shock waves in a strongly coupled dusty plasma under microgravity conditions , NEW J PHYS, 2014, 16, 053028.

Последнее обновление: 09.07.2019
Задачи эксперимента:

КЭ «Кулон-плазма» предполагает решение следующих задач:

- в научной и демонстрационной части:

1) демонстрация и видеосъемка динамики ансамблей активных монодисперсных и полидисперсных макрочастиц в электрических полях различной конфигурации;

2) демонстрация и видеосъемка поведения открытых диссипативных структур заряженных макрочастиц и изучение фазовых переходов в них в газоразрядной плазме в условиях микрогравитации;

- в образовательной части:

1) подготовка и проведение с участием студентов и аспирантов вузов сеансов космических экспериментов на РС МКС;

2) передача видеоизображений на Землю, обработка результатов экспериментов и их анализ с участием студентов и аспирантов вузов.

Постановщики эксперимента: Фортов Владимир Евгеньевич, ОИВТ РАН,  академик, д.ф.-м.н., профессор
Страна: Россия