Плазменный кристалл

Плазменный кристалл

Шифр эксперимента: Плазменный кристалл
Информационная справка: is_plazmennyy_kristall_16_issledovaniy.docx
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Перспективные технологии освоения космического пространства
Наименование эксперимента: Исследование плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей в условиях микрогравитации на РС МКС
Цель эксперимента:

Этап 1а. Плазменно-пылевые структуры в плазме высокочастотного (13,56 МГц) ёмкостного разряда.

Этап 1б. Плазменно-пылевые структуры в плазме тлеющего разряда постоянного тока.

Этап 2. Изучение воздействия УФ солнечного излучения на поведение ансамбля макрочастиц, заряжающихся путем фотоэмиссии.

Этап 3. Исследование плазменно-пылевых структур в условиях открытого космоса при комплексном воздействии УФ-излучения, 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» (используется с 2006 г. по настоящее время) 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.

Новизна эксперимента:

Исследования пылевой плазмы, представляющей собой низкотемпературную плазму, в которой помимо электронов, ионов и нейтралов присутствуют сильнозаряженные пылевые частицы микронных размеров, вызывают в настоящее время большой интерес в связи с относительно недавним открытием плазменно-пылевых кристаллов:

- в плазме высокочастотного разряда (1994 год – G. E. Morfill и H.M. Thomas, Институт внеземной физики общества Макса Планка (ИВФ), Германия);

- в плазме постоянного тока в газоразрядных трубках (1996 год – В.Е. Фортов, А.П. Нефедов, В.И. Молотков, В.М. Торчинский, Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), Россия) и обнаружением в пылевой плазме ряда новых физических явлений и эффектов, одним из которых является образование упорядоченных пылевых структур в плазме – «Плазменный кристалл».

Эксперимент является продолжением серии экспериментов, которые проводились на ОС "Мир" в период 24, 25 и 26 экспедиций, однако на РС МКС используется новая высокоавтоматизированная аппаратура, в которой образование плазменных кристаллов происходит в плазме высокочастотного разряда.

Эксперимент выполняется в рамках международного сотрудничества с Немецким космическим агентством (ДЛР), обществом М.Планка (Институт внеземной физики, Германия) и Европейским космическим агентством (ЕКА).

Научная аппаратура:

Аппаратура «ПК-3»

Аппаратура «ПК-3 Плюс». Создание и исследование плазменно-пылевых образований в плазме радиочастотного разряда в условиях микрогравитации.

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.

Сроки проведения: 2001 – 2020 гг.
Состояние эксперимента: Реализуется
Организация постановщик: Объединённый институт высоких температур РАН
Организации участники: Институт внеземной физики общества М. Планка, Германия, РКК "Энергия" им. С.П.Королева, ЦПК имени Ю.А.Гагарина
Научный руководитель: Фортов В.Е., ОИВТ РАН, академик РАН
Публикации по эксперименту:

1. Нефедов А.П., Ваулина О.С., Петров О.Ф., Молотков В.И., Торчинский В.М., Фортов В.Е., Чернышев А.В., Липаев А.М. Иванов А.И., Калери А.Ю., Семенов Ю.П., Залетин С.В. Динамика макрочастиц в плазме тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации. ЖЭТФ. 2002. №10. С.

2. Khrapak S., Samsonov D., Morfill G., Thomas H., Yaroshenko V., Rothermel H., Hagl T., Fortov V.E., Nefedov A.P., Molotkov V., Petrov O., Lipaev A., Ivanov A., Baturin Y. Compressional waves in complex (dusty) plasmas under microgravity conditions // Physics of Plasmas. 2003. V.10. N 1. P. 1–4.

3. A. V. Ivlev, M. Kretschmer, M. Zuzic, G. E. Morfill, H. Rothermel, H. M. Thomas, V. E. Fortov, V. I. Molotkov, A. P. Nefedov, A. M. Lipaev, O. F. Petrov, Yu. M. Baturin, A. I. Ivanov, and J. Goree Decharging of Complex Plasmas: First Kinetic Observations // 2003 The American Physical Society 055003-1. Physical Reviev Letters.V 90. N 5

4. Anatoli P Nefedov , Gregor E Morfill , Vladimir E Fortov , Hubertus M Thomas , Hermann Rothermel , Tanja Hagl , Alexei V Ivlev , Milenko Zuzic, Boris A Klumov , Andrey M Lipaev ,Vladimir I Molotkov ,Oleg F Petrov,Yuri P Gidzenko , SergeyK Krikalev , William Shepherd , Alexandr I Ivanov , Maria Roth , Horst Binnenbruck , John A Goree and Yuri P Semenov PKE–Nefedov*: Рlasma crystal experiments on the International Space Station // New Journal of Physics. V5 (2003) P.33.1–33.10

5. Нефедов А.П., Ваулина О.С., Петров О.Ф., Молотков В.И., Торчинский В.М., Фортов В.Е., Чернышев А.В., Липаев А.М. Иванов А.И., Калери А.Ю., Семенов Ю.П., Залетин С.В. Динамика макрочастиц в плазме тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации. ЖЭТФ. 2002. №10. С.

6. В.Е. Фортов, О.С. Ваулина, В.И. Молотков, О.Ф. Петров, Ю.П.Семенов, Г. Морфилл, Х. Томас Пылевая плазма в условиях микрогравитации: эксперименты на Международной космической станции.

7. V.E. Fortov, A.V. Ivlev, S.A. Khrapak, A.G. Khrapak and G.E. Morfill, Complex (dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives, Physics Reports-Review Section of Physics Letters 421 (1-2), 1-103 (2005).;

8. В.Е. Фортов, А.Г. Храпак, С.А. Храпак, В.И. Молотков, О.Ф. Петров, Пылевая плазма, УФН, т. 174, с. 495-544 (2004);

9. A.V. Ivlev, G.E. Morfill, H.M. Thomas, C. Rath, G. Joyce, P. Huber, R. Kompaneets, V.E. Fortov, A.M. Lipaev, V.I. Molotkov, T. Reiter, M. Turin and P. Vinogradov, First observation of electrorheological plasmas, Physical Review Letters 100 (9) (2008).

10. K.R. Sutterlin, A. Wysocki, C. Rath, A.V. Ivlev, H.M. Thomas, S. Khrapak, S. Zhdanov, M. Rubin-Zuzic, W.J. Goedheer, V.E. Fortov, A.M. Lipaev, V.I. Molotkov, O.F. Petrov, G.E. Morfill and H. Lowen, Non-equilibrium phase transitions in complex plasma, Plasma Physics and Controlled Fusion 52 (12), 124042 (2010);

11. S.A. Khrapak, B.A. Klumov, P. Huber, V.I. Molotkov, A.M. Lipaev, V.N. Naumkin, H.M. Thomas, A.V. Ivlev, G.E. Morfill, O.F. Petrov, V.E. Fortov, Y. Malentschenko and S. Volkov, Freezing and Melting of 3D Complex Plasma Structures under Microgravity Conditions Driven by Neutral Gas Pressure Manipulation, Physical Review Letters 106 (20), 205001 (2011);

12. K.R. Sutterlin, A. Wysocki, A.V. Ivlev, C. Rath, H.M. Thomas, M. Rubin-Zuzic, W.J. Goedheer, V.E. Fortov, A.M. Lipaev, V.I. Molotkov, O.F. Petrov, G.E.Morfill and H. Lowen, Dynamics of Lane Formation in Driven Binary Complex Plasmas, Physical Review Letters 102 (14), 149901 (2009).

13. B. Liu, J. Goree, V.E. Fortov, A.M. Lipaev, V.I. Molotkov, O.F. Petrov, G.E.Morfill, H.M. Thomas and A.V. Ivlev, Dusty plasma diagnostics methods forcharge, electron temperature, and ion density, Physics of Plasmas 17 (5),053701 (2010).

14. K.R. Sutterlin, H.M. Thomas, A.V. Ivlev, G.E. Morfill, V.E. Fortov, A.M. Lipaev, V.I. Molotkov, O.F. Petrov, A. Wysocki and H. Lowen, Lane Formation in Driven Binary Complex Plasmas on the International Space Station, Ieee Transactions on Plasma Science 38 (4), 861-868 (2010).

15. S.K. Zhdanov, M. Schwabe, R. Heidemann, R. Sutterlin, H.M. Thomas, M.Rubin-Zuzic, H. Rothermel, T. Hagl, A.V. Ivlev, G.E. Morfill, V.I. Molotkov, A.M. Lipaev, O.F. Petrov, V.E. Fortov and T. Reiter, Auto-oscillations in complex plasmas, New Journal of Physics 12, 043006 (2010).

16. V.I. Molotkov, A.M. Lipaev, V.E. Fortov, O.F. Petrov, V.I. Naumkin, M.S. Kudashkina, G.E. Morfill, H.M. Tomas, A.V. Ivlev, S.A. Khrapak and T. Hagl, Phase translitions in dusty plasma experiments on the International space station, Dusty plasmas in applications, Proceedings of 3rd International conference on The Physics of Dusty and Burning Plasmas, Odessa, Ukraine, 92-95 (2010).

Результаты исследований отражены также в двух монографиях:

О.С. Ваулина, О.Ф. Петров, В.Е. Фортов, А.Г. Храпак, С.А. Храпак, Пылевая плазма: эксперимент и теория. М: Физматлит, (2009), 316 с.;

Complex and Dusty Plasmas: From Laboratory to Space / Edit. by Fortov V.E. and Morfill G.E. Publisher: CRC Press, (2010), 418 pp.

Результаты исследований широко представлены на многих международных конференциях и ежегодно обсуждаются на совместных семинарах ОИВТ РАН и ИВФ общества М.Планка.

Последнее обновление: 19.06.2019
Задачи эксперимента:

- исследование динамики плазменного кристалла при предельно низком электрическом поле.

- изучение условий агломерации и деагломерации частиц.

- исследование поведения границы плазмы и пылевой плазмы при различных режимах.      Начиная с 13 экспедиции:

- проведение базовых экспериментов с частицами разного размера.
     

В 14 экспедициии выполняются следующие задачи:

- проведение двух базовых экспериментов с размерами частиц 2,5 и 9 мкм;

- проведение одного исследовательского эксперимента по поиску фазовых переходов при различных параметрах плазмы
Страна: Россия