Экоплазма

Экоплазма
Шифр эксперимента: Экоплазма
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Перспективные технологии освоения космического пространства
Наименование эксперимента: Кинетические исследования фундаментальных классических процессов в конденсированном веществе с использованием больших трехмерных систем комплексной плазмы
Цель эксперимента:

Целью КЭ является исследование универсальных процессов в сильно неидеальных системах на «атомистическом» уровне в экспериментах с неидеальной пылевой плазмой, являющейся модельной системой, где отдельные микрочастицы играют роль «атомов» классического конденсированного вещества, с применением трехмерной видео-диагностики, что позволит получить качественно новые знания.

Описание эксперимента:
Предлагается провести исследование ряда универсальных процессов, происходящих в сильно неидеальных системах, на «атомистическом» уровне, которые будут изучаться в экспериментах с неидеальной пылевой плазмой.

Пылевая плазма представляет собой плазменное состояние так называемой “мягкой материи” и является естественной модельной системой для междисциплинарных исследований.

Отдельные микрочастицы в таких системах играют роль «атомов», что позволяет непосредственно наблюдать и исследовать многочисленные фундаментальные процессы, происходящие в классическом конденсированном веществе, такие как кристаллизация, возникновение локальной структуры в жидкости, разделение фаз, формирование стеклообразного состояния и т.д.

Эксперименты будут проводиться по следующим основным направлениям:

1. фазовые переходы в твердых телах,

2. атомистическая динамика жидкостей,

3. неравновесные фазовые переходы в управляемых системах,

4. разделение фаз в бинарных жидкостях,

5. гидродинамика на дискретном уровне.

 

Новизна эксперимента:

Инновационным аспектом данного проекта является возможность генерировать большие однородные объемы комплексной плазмы и впервые выполнить 3D–визуализацию (с разрешением на уровне отдельных частиц) универсальных «атомистических» процессов, происходящих в таких системах на всех физически-значимых масштабах времени. Этот важнейший стратегический шаг может быть сделан только с помощью новой научной аппаратуры «Плазмалэб». Прототип данной установки в настоящее время проходит первые испытания в лабораториях ИВФ и ОИВТ РАН.

Уникальные технические возможности установки «Плазмалэб» позволят проводить высокоточные исследования в чрезвычайно широком спектре классических фазовых состояний, фазовых переходов и критических явлений, а также изучить зарождение и развитие коллективных явлений. В свою очередь, эти исследования должны выявить связь со смежными областями физики.

Планируемые исследования будут проводиться в рамках широкого междисциплинарного сотрудничества с другими областями физики мягкой материи и физики конденсированного вещества, с упором на изучение универсальных свойств и процессов. Взаимная дополняемость таких исследований играет чрезвычайно важную роль для полного понимания «атомистической» физики, лежащей в основе процессов в классических сильнонеидеальных системах. Совместные усилия различных научных сообществ, выполняющих исследования в области мягкой материи, дадут значительный синергетический эффект и будут способствовать более глубокому пониманию фундаментальной физики. Богатое разнообразие физических явлений, которые требуют совместных исследований, приведены в недавно вышедшей монографии «Пылевая плазма и коллоидные дисперсии: исследования классических жидкостей и твердых тел на уровне отдельных частиц».

 

Научная аппаратура:

Для исследования свойств комплексной плазмы высокочастотного разряда должна быть разработана, изготовлена и доставлена на борт РС МКС научная аппаратура «Плазмалэб».

Аппаратура «Плазмалэб» состоит из:

- экспериментального блока;

- блока записи информации;

- блока отображения видеоинформации;

- блока вторичных источников питания;

- блока подачи газа (до 5шт.);

- блока управления и контроля;

- комплекта сменных носителей информации (предположительно два носителя на один сеанс КЭ);

- комплекта кабелей.

Экспериментальный блок должен представлять собой герметичный контейнер с размещенным в нем экспериментальным оборудованием.

Экспериментальное оборудование состоит из:

- плазменной камеры с восемнадцатью источниками макрочастиц (диспенсорами);

- двух осветительных маломощных диодных лазеров с элементами фокусирующей оптики;

- манипуляционного диодного лазера средней мощности (до 20 Вт) с оптоволоконным световодом, элементами фокусирующей оптики и уловителем лазерного излучения;

- видеокамеры высокого разрешения с элементами фокусирующей оптики (разрешение не менее 2000*2000, частота до 100 кадров в секунду);

- видеокамеры светового поля с элементами оптики (разрешение не менее 2000*2000, частота до 100 кадров в секунду);

- обзорной видеокамеры с элементами фокусирующей оптики (разрешение 720 * 576, частота 25 кадров в секунду);

- компактного спектрографа с оптоволоконным световодом и элементами фокусирующей оптики (3шт.);

- микроволнового интерферометра;

- ходового стола;

- высокочастотного генератора;

- программируемого генератора функций;

- системы вакуумирования и регулирования давления;

- управляющего компьютера с соответствующим ПМО;

- управляющей и регистрирующей электроники;

- соединительных сигнальных и питающих кабелей;

- вторичных источников питания;

- монтажной плиты с контуром терморегулирования;

- крепёжных деталей;

- элементов общей сборки.

Экспериментальное оборудование должен обеспечивать:

- формирование плазмы высокочастотного (13,56 МГц) разряда в инертном газе (неон, аргон, криптон или ксенон), при давлении от 1 Па до 100 Па, с помещенными в нее частицами микронного (1 - 200 мкм) размера;

- воздействие на получаемые структуры электрического поля и/или лазерного излучения мощностью до 20 Вт;

- видео регистрацию образующихся структур из частиц микронного размера (включая видео регистрацию изображений, полученных с помощью оптики светового поля) и передачу видео информации в БЗИ для сохранения;

- регистрацию и управление текущими физическими параметрами КЭ, передачу зарегистрированной информации в БУК и прием от него управляющих команд;

- регистрацию и поддержание текущих технических параметров аппаратуры, передачу зарегистрированной информации в БУК;

- выполнение сеансов КЭ по заданной программе, загружаемой из БУК.

Ожидаемые результаты:

Основными результатами КЭ будет детальное исследование проблем в рамках научных направлений обсуждаемых в предыдущем разделе, и возможность ответа на следующие фундаментальные вопросы современной физики:

Фазовые переходы в твердых телах

Перечисленные выше примеры показывают, что исследование таких повсеместно встречающихся, но все еще плохо понимаемых процессов, как кристаллизация и плавление, требует использования различных подходов, различных ограничений, и обобщения информации, полученной в экспериментах с различными модельными системами. Можно выделить следующие нерешенные задачи.

- Начальные фазы образования кристаллов из переохлажденного расплава (как гомогенная, так и гетерогенная кристаллизация). Представляется перспективной возможность управления зарождением кристалла и скоростью нуклеации путем введения внешних зародышей нуклеации. В зависимости от размера и внутреннего строения зародыша возможна реализация множества различных сценариев нуклеации. Что произойдет, если ядро имеет структуру, несовместимую с основным состоянием? Какова роль кристаллических дефектов и их динамики в процессе нуклеации? Как нуклеация трансформируется в рост больших кристаллов?

- Формированию кристаллической фазы из метастабильного твердого состояния уделялось меньше внимания, но этот процесс представляет собой интерес как для фундаментальной физики, так и для практических применений. Насколько нам известно, даже простая классическая теория нуклеации не была адаптирована для этого процесса. В зависимости от несоответствия структур фаз зародышей и материнской фазы может реализоваться множество сложных сценариев. - Последнее, но не менее важное, обстоятельство состоит в том, что процессы, вызывающие кристаллизацию из стекла, хотя и протекают очень медленно, безусловно, нуждаются в дальнейшем исследовании.

Атомистическая динамика жидкостей

Наряду с открытыми вопросами, упомянутыми выше, кинетические исследования "переохлажденных" жидкостей с помощью комплексной плазмы будут способствовать более глубокому пониманию и решению следующих проблем:

- Какие элементарные механизмы определяют стабильность переохлажденной жидкости по отношению к кристаллизации? Что представляет собой кинетика стеклования и как развиваются соответствующие процессы, например, задержка структурной релаксации и потеря эргодичности? Что на микроскопическом уровне определяет изменение транспортных свойств (в частности, самодиффузии) в переохлажденном состоянии? и т.д

. Планируется исследовать разделение релаксационных процессов («альфа», «бета» и «молекулярная» релаксация) путем соответствующего масштабирования времени при приближении температуры к точке стеклования, и «вымораживание» альфа-релаксации при переходе в стеклообразное состояние.

- Особенно интересным было бы исследование режима быстрой «молекулярной» релаксации, где могут появиться, например, так называемые «бозоные пики», вносящие дополнительный вклад в обычную дебаевскую плотность состояний (см., например,). Жидкая комплексная плазма, для которой характерна практически незатухающая атомистическая динамика, очевидно, является единственной доступной модельной системой, где быстрая релаксация может быть изучена на кинетическом уровне. Вопрос состоит в том, влияет ли динамика на коротких временных масштабах, которая различна для комплексной плазмы и коллоидов, на динамику альфа- и/или бета релаксации.

- Кроме того, планируется исследовать определяющую роль полидисперсности частиц на геометрическую фрустрацию и найти существенное отличие (или отличия) между сценарием трехмерного стеклования от сценария двумерного стеклования в наземных экспериментах.

Неравновесные фазовые переходы в управляемых системах

Проблема формирования полос требует дальнейшего исследования.

Основные вопросы можно сформулировать следующим образом:

- Является ли данный неравновесный процесс фазовым переходом первого или второго рода? (является ли он гистерезисным или непрерывным?). Если внешняя вынуждающая сила имеет осциллирующий характер, то вместо полос формируются «ленты», перпендикулярные к вынуждающей силе. Это явление наблюдалось для коллоидов и гранул. Что является причиной такого поведения системы?

- Должна быть разработана микроскопическая теория, описывающая возникновение полос и формирования «лент», способная ответить на вопрос, каковы механизмы этих явлений? Для решения этой задачи представляется перспективным использование динамической теории функционала плотности [41].

- Если равновесная система представляет собой кристалл, приведенный в неравновесное состояние значительной вынуждающей силой, будет ли формирование полос выглядеть иначе?

Разделение фаз в бинарных жидкостях

Можно выделить следующие направления исследования:

- Как форма потенциала парного взаимодействия и его характерный диапазон влияют на характер явлений, происходящих в окрестности критической точки?

- Как эффективный параметр неаддитивности в межчастичных взаимодействиях влияет на вид разделения фаз (макро- или микрорасслоение)?

- Как происходит переход между нуклеацией и режимом спинодального распада?

- Как возникают вмороженные структуры, если во время спинодального распада система пересекает линию стеклования?

Гидродинамика на дискретном уровне

Основные цели исследования можно сформулировать следующим образом:

- Изучение на кинетическом уровне динамики и структуры межфазной границы и неустойчивостей жидкости (например, неустойчивостей Кельвина–Гельмгольца и Рэлея–Тейлора). Используя уникальные наблюдательные возможности комплексной плазмы, будут продолжены исследования различных конфигураций сдвигового потока, возникновения и нелинейного развития неустойчивости и перехода к турбулентности на «атомистическом» уровне. Планируется изучить динамику сдвигового течения параллельно поверхности раздела фаз, а также динамику межфазной границы путем приложения внешней силы к частицам. Это позволит установить кинетические причины развития неустойчивости и прояснить многие важные вопросы, например, о том, будут ли основные гидродинамические неустойчивости наблюдаться на масштабах, сравнимых с расстоянием между частицами. Кроме того, планируется уделить внимание влиянию реологических свойств (а именно, зависимости вязкости от скорости сдвига и плотности) на устойчивость потока, а также на микроскопическом уровне исследовать происхождение сдвиговых зон, которые часто наблюдаются в комплексных жидкостях.

- Другим процессом, требующим обширного исследования, является развитие самоорганизации нелинейного движения в потоках. Недавние эксперименты с комплексной плазмой показали, что такие измерения, в сочетании с разработкой соответствующей теории и численным моделированием, может обеспечить новое понимание данных процессов, вызываемых как неоднородностью температуры, так и сдвигом [51].

Результаты предполагается использовать:

1. Для применения в материаловедении, в особенности при создании моделей плавления, кристаллизации, отжига и кинетики стеклования, для более точного описания начала пластической деформации, при разработке моделей фазовых переходов в твердых телах, моделей явлений в бинарных жидкостях.

2. При разработке новых плазменных технологий и в широко используемых плазменных технологиях частицы могут играть значительную или даже доминирующую роль. Влияние частиц проявляется в следующих механизмах: химически (фото десорбция, ионное распыление, сублимация), электрически (захват электронов и/или ионов, проводимость, магнитное взаимодействие) и динамически (световое давление, гравитация, вязкое трение о нейтральный газ). Примерами таких технологий могут служить: термоядерный синтез, плазменное осаждение из газовой фазы, плазменное травление поверхностей, плазменные ракетные двигатели, плазменные горелки.

Сроки проведения: 04.2019 — 12.2020гг. (выполнение основных задач КЭ); 01.2021 — 12.2025гг. (выполнение дополнительных задач КЭ, при наличии технической возможности)
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)
Организации участники: Институт внеземной физики общества М. Планка, Германия
Научный руководитель: Фортов В. Е., ОИВТ РАН, директор, д.ф.-м.н., академик РАН
Публикации по эксперименту:

1. Комплексная и пылевая плазма: из лаборатории в космос. Под ред. В.Е. Фортова и Г.Е. Морфилла. Физматлит, Москва, 2012

2. Fortov, V.E.; Morfill, G.E. Strongly coupled dusty plasmas on ISS: experimental results and theoretical explanation. Plasma Physics and Controlled Fusion, 54, 124040, 2012

3. Фортов В.Е., Петров О.Ф. Кристаллические и жидкостные структуры в сильнонеидеальной пылевой плазме в лаборатории и условиях микрогравитации. Теплофизика Высоких Температур, 48, 991 1004, 2010

4. Complex (dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives. Fortov, V.E.; Ivlev, A.V.; Khrapak, S.A.; Khrapak, A.G.; Morfill, G.E. Physics Reports-Review, 421, 1-103, 2005

5. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. Пылевая плазма. Успехи физических наук, 174, 495–544, 2004

6. Zhukhovitskii, D.I.; Fortov, V.E.; Molotkov, V.I.; Lipaev, A.M.; Naumkin, V.N.; Thomas, H.M.; Ivlev, A.V.; Schwabe, M.; Morfill, G.E. Nonviscous motion of a slow particle in a dust crystal under microgravity conditions. Physical Review E, 86, 016401, 2012.

7. Khrapak, S. A.; Klumov, B. A.; Huber, P.; Molotkov, V. I.; Lipaev, A. M.; Naumkin, V. N.; Thomas, H. M.; Ivlev, A. V.; Morfill, G. E.; Petrov, O. F.; Fortov, V. E.; Malentschenko, Yu.; Volkov, S. Freezing and Melting of 3D Complex Plasma Structures under Microgravity Conditions Driven by Neutral Gas Pressure Manipulation. Physical Review Letters, 106, 205001, 2011

8. Wysocki, A.; Raeth, C.; Ivlev, A. V.; Suetterlin, K. R.; Thomas, H. M.; Khrapak, S.; Zhdanov, S.; Fortov, V. E.; Lipaev, A. M.; Molotkov, V. I.; Petrov, O. F.; Loewen, H.; Morfill, G. E. Kinetics of Fluid Demixing in Complex Plasmas: Role of Two-Scale Interactions. Physical Review Letters, 105, 045001, 2010

9. Sutterlin, K.R.; Wysocki, A.; Ivlev, A.V.; Rath, C.; Thomas, H.M.; Rubin-Zuzic, M.; Goedheer, W.J.; Fortov, V.E.; Lipaev, A.M.; Molotkov, V.I.; Petrov, O.F.; Morfill, G.E.; Lowen, H. Dynamics of Lane Formation in Driven Binary Complex Plasmas. Physical Review Letters, 102, 085003, 2009

10. Ivlev, A.V.; Morfill, G.E.; Thomas, H.M.; Rath, C.; Joyce, G.; Huber, P.; Kompaneets, R.; Fortov, V.E.; Lipaev, A.M.; Molotkov, V.I.; Reiter, T.; Turin, M.; Vinogradov, P. First observation of electrorheological plasmas. Physical Review Letters, 100, 095003, 2008

11. Thomas, H.M.; Morfill, G.E.; Fortov, V.E.; Ivlev, A.V.; Molotkov, V.I.; Lipaev, A.M.; Hagl, T.; Rothermel, H.; Khrapak, S.A.; Suetterlin, R.K.; Rubin-Zuzic, M.; Petrov, O.F.; Tokarev, V.I.; Krikalev, S.K. Complex plasma laboratory PK-3 plus on the international space station. New Journal of Physics, 10, 033036, 2008

12. Nefedov, A.P.; Morfill, G.E.; Fortov, V.E.; Thomas, H.M.; Rothermel, H.; Hagl, T.; Ivlev, A.V.; Zuzic, M.; Klumov, B.A.; Lipaev, A.M.; Molotkov, V.I.; Petrov, O.F.; Gidzenko, Y.P.; Krikalev, S.K.; Shepherd, W; Ivanov, A.I.; Roth, M.; Binnenbruck, H.; Goree, J.A.; Semenov, Y.P. PKE-Nefedov: plasma crystal experiments on the International Space Station. New Journal of Physics, 5, 33, 2003

 

Последнее обновление: 22.07.2019
Задачи эксперимента:

Для достижения поставленной цели при реализации КЭ должны быть решены следующие основные задачи:

- проведение высокоточных исследований в широком спектре классических фазовых состояний, фазовых переходов и критических явлений;

- исоздание больших однородных объёмов комплексной плазмы;

- 3D-видеорегистрация универсальных «атомистических» процессов, происходящих в сильнонеидеальной системе на физически значимых масштабах времени;

- исследование самоорганизации материи на кинетическом уровне; изучение разделения фаз на уровне кинетики отдельных частиц;

При наличии технической возможности также будут решены следующие дополнительные задачи:

- исследование развития коллективных явлений в физике сильнонеидеальных систем;

- изучение «атомистической» динамики жидкостей;

- расширение фундаментальных знаний о плазменном состоянии мягкой материи – комплексной плазме
Страна: Россия