Комплексная плазма в космосе: Эксперименты на борту Международной Космической Станции — В.И. Молотков
29 Ноя 2012
Владимир Иванович Молотков, к.т.н., ст. научный сотрудник, зав. лабораторией «пылевая газоразрядная плазма» ОИВТ РАН.
Возможность наблюдать мельчайшие детали движения отдельных частиц открывает огромные перспективы для экспериментального изучения сильно-коррелированных систем. Такая возможность должна привести к лучшему пониманию фундаментальных процессов, управляющих фазовыми переходами, принципов, определяющих равновесие и самоорганизацию в жидкостях и твердых телах, условий, при которых происходит возникновение коллективных явлений и т.д.
Сила земного притяжения столь велика, что микрочастицы, помещенные в плазму, оказываются очень сильно сжаты в вертикальном направлении. Поэтому на Земле возможно создание только тонких горизонтальных слоев частиц, и, следовательно, в наземных экспериментах в основном изучаются двумерные системы (монослои). Однако, в отсутствии силы тяжести микрочастицы могут занимать весь плазменный объем, и тогда возникает возможность создания изотропных, однородных трехмерных систем. Очевидно, что условия невесомости идеально подходят для изучения процессов, происходящих в подобных системах.
Долговременные исследования комплексной плазмы в условиях невесомости, на борту Международной Космической Станции (МКС), начались 11 лет назад в рамках совместного российско-немецкого проекта. В 2001-2005 годах, первой лабораторией комплексной плазмы на борту МКС была установка «Плазменный Кристалл» («ПК-Нефедов», названная в честь российского руководителя проекта, умершего незадолго до начала работы лаборатории). Установка следующего поколения «ПК-3 Плюс», построенная по тому же принципу, что и «ПК-Нефедов» и запущенная в 2005 году, отличалась существенными улучшениями в конструкции, возможностях манипуляции частицами, и плазменной диагностике.
Лаборатории «Плазменный Кристалл» на борту МКС за последние 11 лет. Российский космонавт Сергей Крикалев (слева) выполнял эксперименты на установке «ПК-Нефедов» в 2001 и 2006 годах, астронавт Европейского Космического Агентства Томас Райтер (справа) работал с установкой «ПК-3 Плюс» во время своего полета в 2006 году.
Конкретная форма межчастичного взаимодействия обычно не оказывает сильного влияния на качественные особенности многих универсальных процессов, происходящих в сильно-коррелированных системах. Однако, существуют очень интересные новые эффекты, возникающие когда взаимодействие становится анизотропным или характеризуется несколькими пространственными масштабами. Поэтому, создание систем с заданным типом взаимодействия между частицами можно рассматривать как задачу первостепенной важности – и это можно осуществить в комплексной плазме. Недавно были успешно проведены предварительные эксперименты по управлению межчастичным взаимодействием в заданном направлении, что обеспечило важный задел для будущих исследований на МКС. Сейчас мы занимаемся разработкой новой лаборатории «ПлазмаЛэб», где появится возможность управлять взаимодействием во трех направлениях. Это позволит создавать и изучать множество новых типов анизотропных жидкостей и твердых тел – исследования, которые могут быть выполнены только в условиях невесомости.
В этой лекции я сделаю короткий обзор исследований комплексной плазмы на МКС и расскажу о различных экспериментах, проведенных в условиях невесомости, уделяя при этом особое внимание замечательной взаимодополняемости наземных и космических исследований.