Дело о т.н. «плазменном кристалле» академика Владимира Фортова

Предмет обсуждения:
Проект «Плазменный кристалл» (плазменно-пылевые кристаллы в условиях микрогравитации), действительные и мнимые перспективы его применения, обстоятельства, связанные с «плазменным кристаллом».

Материалы можно найти в темах:
«Афера: вакуумный Клондайк академии наук»,
«Вниманию комитета МЕГАБРИТВА. Обсуждаем поля кручения, наномиры, плазменные кристаллы, суперструны»,
«Цитатник по плазменному кристаллу академика Фортова»).

Краткое популярное описание проекта «плазменный кристалл»:
«Если у меня есть плазма, стандартная, кондовая, обыкновенная, к примеру, как в той же лампе дневного света, и в нее насыплю пыли, то каждая пылинка зарядится до потенциала один-два электрон-вольта. Пылинки начнут взаимодействовать... и я получаю в лабораторных условиях те самые процессы, что идут в звездах» (академик Владимир Фортов. Интервью «парламентской газете», № 790 за 8/23/01 Рубрика: сенсации XXI века Кристаллы из космоса)

Краткий перечень обещаний, по проекту «плазменный кристалл»
А) Создание ядерной батареи нового поколения
Б) Изготовление алмазов чистой воды размером несколько сантиметров
В) Производство лекарственных препаратов высокой степени очистки
Г) Проведение высокоэффективного химического катализа
Д) Ликвидация радиоактивных выбросов при ядерных катастрофах
Е) Создание двигателя нового типа для межзвездных полетов

Описание экспериментов:
«НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА РОССИЙСКОМ СЕГМЕНТЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТ "ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ"
Научный руководитель: академик РАН В.Е. Фортов

Используемая научная аппаратура:
Аппаратура "Плазменный кристалл-3":
Экспериментальный блок.
- Частота разряда формируемой плазмы - 13,56 МГц
- Давление газа в рабочей камере - 0,03 - 0,1 мм рт. ст.
- Плотность монодисперсных частиц - 1,5 г/куб.см
- Размеры пылевых частиц - 3,4 и 6,9 мкм
Турбонасос;
Аппаратура "Телесайенс" для управления процессом и регистрации результатов эксперимента.

Расходуемые материалы:
Видеокассеты Hi-8 для записи процесса формирования плазменно-пылевых структур;
Карта PCMCIA для записи параметров проведения эксперимента (давления газа, мощности ВЧ-излучения, размеров пылевых частиц и др.).

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.

Задачи:
Изучение физических явлений в плазменно-пылевых кристаллах при различных уровнях давления инертного газа и мощности ВЧ - генератора в условиях микрогравитации
Ожидаемые результаты:
Разработка технологии формирования и контроля упорядоченных структур заряженных твердых пылевых микрочастиц в плазме»
(по официальному сообщению РКК «Энергия»)

ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ УЧАСТНИКОВ ОБСУЖДЕНИЯ

Правила обсуждения
1. Сообщения размещаются исключительно по обсуждаемой теме и с приведением содержательных аргументов.
2. В случае, если аргументы находятся в материале по ссылке - приводится часть текста, находящегося по ссылке, либо аннотация, с четким объяснением того, какое отношение данный текст имеет к обсуждаемой теме.
3. Вопросы задаваются только по существу представленных аргументов.
4. Модераторы не будут допускать никаких отклонений от правил. Все сообщения, не соответствующие правилам, будут удаляться из темы и перемещаться в отдельную папку.

Секретариат комитета Мегабритва

Описываются проведенные в период 2001-2014 гг. с участием российских и немецких ученых и космонавтов исследования плазменных кристаллов на Международной космической станции. В ходе экспериментов обнаружен ряд новых эффектов и явлений, не наблюдаемых в условиях земной гравитации и расширяющих наши представления о структуре и динамике материи.
Для специалистов по физике пылевой плазмы, а также всех, кого интересуют вопросы постановки современного космического эксперимента, организации и практики космических исследований.

ТОЧКА ОТСЧЕТА.
Научное исследование в условиях космоса - предприятие многосложное. От замысла до полного воплощения проект может продлиться более двадцати лет. Это означает, что исследователи должны быть достаточно молоды или что им, возможно, придется передать свои знания и навыки и препоручить свои обязанности по эксперименту младшим коллегам.

Космические исследования бывают разные - могут быть исследования из космоса (например, дистанционное зондирование Земли или астрономия), исследования самого космоса (например, изучение околоземного пространства, космической погоды, исследование межпланетной среды, а также отдельных планет, Луны, астероидов и комет) и еще исследования с использованием специфических особенностей космоса (скажем, невесомости, точнее говоря, микрогравитации и огромных расстояний). Некоторые исследования удобней производить на беспилотных космических аппаратах с помощью автоматов и робототехники, а иные требуют экспериментов, производимых людьми, - подобно тем, что производятся в земных научных лабораториях.

СОДЕРЖАНИЕ
От авторов
1. Точка отсчета
2. «Плазменный кристалл»
3. Нужен космический эксперимент
4. Кристаллизация российско-германского сотрудничества
5. Германия: эксперимент в параболическом полете
6. Германия: ракетный эксперимент
7. Россия: первый эксперимент «Плазменный кристалл» в космосе
8. Как рождалась международная космическая станция
9. Российско-германский план
10. Прощание с «Миром»
11. Создание экспериментальной установки
12. Космодром «Байконур»
13. Эксперимент «ПК-3»
14. Центр подготовки космонавтов
15. Королев - космический город
16. Эксперимент «ПК-3+»
17. «Плазменный кристалл» в созвездии космонавтов
18. Наши встречи на Земле
19. Результаты исследований
20. Будущее уже рядом
21. Заключительное слово
Библиография.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Плазменный кристалл, Космические эксперименты, Фортов В.Е., Батурин Ю.М., Морфилл Г.О., Петров О.Ф., 2015 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

• Гравитация, От хрустальных сфер до кротовых нор, Петров А.Н., 2013
• Опорный конспект лекций по курсу Лазерные технологии, Введение в лазерные технологии, Вейко В.П., Петров А.А., 2009

Введение

Пылевая плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий частицы конденсированного вещества. Другими терминами, употребляемыми для обозначения таких систем являются «комплексная плазма», «коллоидальная плазма», а также «плазма с конденсированной дисперсной фазой». Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они присутствуют в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутниках земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Наконец очень активно исследуется пылевая плазма в лабораторных условиях. Пылевые частицы могут не только преднамеренно вводиться в плазму, но и образовываться самопроизвольно в результате различных процессов. Широкая распространенность плазменно-пылевых систем, а также целый ряд уникальных свойств, делают пылевую плазму чрезвычайно привлекательным и интересным объектом исследования.

Пылевые частицы, находящиеся в плазме, приобретают электрический заряд и представляют собой дополнительный заряженный компонент плазмы. Однако свойства пылевой плазмы значительно богаче свойств многокомпонентной плазмы электронов и ионов различного сорта. Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов и, иногда, источником электронов. Тем самым пылевой компонент может существенно влиять на ионизационное равновесие. Заряд пылевых частиц не является фиксированной величиной, а определяется параметрами окружающей плазмы и может изменяться как во времени, так и в пространстве. Кроме того, заряд флуктуирует даже при постоянных параметрах окружающей плазмы, поскольку зарядка является стохастическим процессом.

Плазменный кристалл

Частицы пылевой плазмы могут выстраиваться в пространстве определённым образом и образовывать так называемый плазменный кристалл. Плазменный кристалл может плавиться и испаряться. Если частицы пылевой плазмы достаточно велики то кристалл можно будет увидеть невооружённым глазом.

Строительным материалом для пылевых кристаллов служат макрочастицы, размер которых может варьироваться вплоть до десятков микрон в зависимости от условий конкретного эксперимента. Величина постоянной решетки в таких кристаллах обычно значительно превосходит дебаевский радиус экранирования и может достигать сотен микрон. Помимо образования в плазме кристаллических пылевых структур во многих случаях, были обнаружены плазменно-пылевые капли, и наблюдались фазовые переходы газ-жидкость в таких системах .

Заряд пылевых частиц может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку её поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твёрдом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооружённым глазом. Образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. Кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица „ловит“ электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на её поверхности не сравняются. С высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц увеличится и будет отрицательным. Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоёв частиц составляло несколько десятков микрометров.

Легендарный эксперимент «Плазменный кристалл» продолжен на МКС с новым оборудованием. Уникальный прибор, который недавно был доставлен на борт космической станции, - это устройство дополнительного регулятора расхода газа. Новое оборудование позволит получать более точные результаты в ходе эксперимента по изучению плазмы и повысит чистоту самого эксперимента. Данные о том, что представляет собой пылевая плазма, позволят создать новые компактные энергетические батареи и лазеры, разработать новую технологию выращивания алмазов, а также послужить основой для развития новой области - плазменной медицины.

Любое вещество может пребывать в четырех фазовых состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма - это более 99% видимой массы Вселенной, начиная от звезд и заканчивая межзвездным газом. Плазма, содержащая частицы пыли, весьма распространена в космосе - это планетарные кольца, хвосты комет, межзвездные облака.

Исследование плазмы с микрочастицами размером несколько микрон (пылевые частицы) и наблюдение за ее поведением в условиях микрогравитации, при которой происходит почти полная компенсация веса микрочастиц, идет уже более двух десятков лет. Еще в январе 1998 года на российском орбитальном комплексе «Мир» космонавты Анатолий Соловьев и Павел Виноградов проводили на установке «Плазменный кристалл – 1» (ПК-1) первый эксперимент по изучению физики плазменно-пылевых структур, в том числе плазменных кристаллов и жидкостей. В августе того же года на «Мире» начали проводить исследования на аппаратуре ПК-2, состоящем из газоразрядной трубки и устройства для видеорегистрации эксперимента. В марте 2001 года Сергей Крикалев и Юрий Гидзенко провели первую сессию эксперимента на МКС на установке ПК-3, созданной совместно российскими и немецкими специалистами. Первые эксперименты на новой экспериментальной установке «Плазменный кристалл – 4», созданной также совместно учеными из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН и Германского космического агентства (ДЛР), начались в июне 2015 года. В процессе исследований была выявлена необходимость усовершенствования этой установки. В июле этого года на МКС доставлено дополнительное оборудование для повышения качества эксперимента «Плазменный кристалл – 4».

Цель ученых - получение и изучение плазменно-пылевых кристаллов и других упорядоченных структур в плазме. В частности, это позволяет изучать законы процессов, происходящих в протозвездах, протопланетарных кольцах и других небесных телах. В ходе экспериментов микроскопические частицы определенного размера (диаметром несколько микрометров) вводятся в неоновую или аргоновую плазму в газоразрядной трубке. Когда микрочастицы попадают в плазму, они собирают электроны и положительные ионы, в результате чего они приобретают отрицательный заряд из-за более высокой подвижности электронов. Микрочастицы отталкиваются друг от друга и формируют различные трехмерные структуры. Такие исследования невозможно проводить на Земле, так как пылевые частицы подвержены действию силы тяжести и могут формировать либо двухмерные структуры, либо сильно деформированные (сжатые) трехмерные.

Несмотря на то что за 20-летнюю историю исследования пылевой плазмы дали много новых интересных данных, до сих пор не удалось создать полную математическую модель поведения самоорганизующихся частиц. Новое оборудование, разработанное учеными из ОИВТ РАН и ДЛР, позволит проводить более «чистые» эксперименты за счет снижения потока газа, который образует плазму, в десятки раз. Теперь можно расширить диапазон давлений газа и получать новые знания о процессах в пылевой плазме.

Когда микрочастицы находятся в плазме, на них действует целый ряд сил. Одна из основных сил - электрическая, воздействующая на частицу в поле разряда. Вторая - сила ионного увлечения. Третья сила - трение о газ: если тело входит в атмосферу, то оно теряет скорость именно из-за него, - рассказал «Известиям» старший научный сотрудник ОИВТ РАН Андрей Липаев. - Соответственно, когда мы организуем режим с протоком, возникает своего рода ветер, который увлекает частицы. Прибор, который использовался первоначально для перекрывания потока, в процессе эксплуатации в сложных условиях космического эксперимента стал давать значительную утечку газа, и частицы просто уносило его потоком.

Для решения этой проблемы специалисты ОИВТ РАН и ДЛР разработали дополнительное устройство, которое позволяет полноценно управлять потоком газа с помощью внешнего регулятора давления и двух дополнительных клапанов. Так можно достичь стабильного положения частиц. В результате у ученых появилась возможность в полной мере контролировать условия эксперимента.

Можно сказать, что до сих пор мы просто не могли получить необходимый контроль над потоком газа и, следовательно, качественные результаты. Раньше работать с частицами размером менее 3 микрон попросту было невозможно. Между тем именно частицы размером около 1 микрона интересны с точки зрения изучения таких процессов, как, например, формирование структур, - отметил Андрей Липаев.

Новое оборудование уже установлено на МКС, с борта передается картинка в Центр управления полетами. Сотрудники ОИВТ РАН получают телеметрию и видео эксперимента, также работают звуковые каналы связи с бортом МКС - можно слышать, как проходят переговоры. Новый многодневный эксперимент с использованием дополнительного оборудования по изучению пылевых частиц в плазме недавно был завершен и оправдал ожидания. Теперь ученые будут проводить подробный анализ его результатов.

Как сообщил «Известиям» директор ОИВТ РАН Олег Петров, полученные в ходе эксперимента данные помогут понять суть процессов самоорганизации.

Исследуемая нами система является открытой диссипативной системой: есть постоянный приток энергии и постоянный ее отток. Такие системы характерны для всех живых организмов. Что происходит с этой системой, какие в ней есть явления самоорганизации? Всё это можно и нужно исследовать, - отметил Олег Петров.

Данные о том, что представляет собой пылевая плазма, могут принести большую практическую пользу: они позволят, в частности, создать новые компактные энергетические батареи и лазеры и разработать технологию выращивания алмазов в условиях микрогравитации. Также данные, поступающие с борта МКС, важны для развития новой, плазменной, медицины, суть которой в том, что низкотемпературная плазма может инициировать, стимулировать и контролировать сложные биохимические процессы в живых системах.

Эксперимент ПК-4 проводится при поддержке «Роскосмоса» и Европейского космического агентства.

Легендарный эксперимент, начавшийся еще на советской орбитальной станции "Мир", продолжен на МКС с новым оборудованием. Уникальный прибор, который недавно был доставлен на борт космической станции, - это устройство дополнительного регулятора расхода газа. Он даст возможность получать более точные результаты в ходе эксперимента по изучению плазмы и повысит его чистоту. Данные о том, что представляет собой пылевая плазма, позволят получить ранее неизвестные сведения о Вселенной, создать компактные энергетические батареи и лазеры, разработать новую технологию выращивания алмазов, а также послужить основой для развития плазменной медицины.

Любое вещество может пребывать в четырех фазовых состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма - это более 99% видимой массы Вселенной, начиная со звезд и заканчивая межзвездным газом. Плазма, содержащая частицы пыли, весьма распространена в космосе - это планетарные кольца, хвосты комет, межзвездные облака.

Исследование плазмы с микрочастицами размером несколько микронов (пылевые частицы) и наблюдение за ее поведением в условиях микрогравитации, при которой происходит почти полная компенсация веса микрочастиц, идут уже более двух десятков лет. Еще в январе 1998 года на российском орбитальном комплексе "Мир" космонавты Анатолий Соловьев и Павел Виноградов проводили на установке "Плазменный кристалл-1" (ПК-1) первый эксперимент по изучению физики плазменно-пылевых структур, в том числе плазменных кристаллов и жидкостей. В августе того же года на "Мире" начали проводить исследования на аппаратуре ПК-2, состоящей из газоразрядной трубки и устройства для видеорегистрации эксперимента. В марте 2001 года Сергей Крикалев и Юрий Гидзенко провели первую сессию эксперимента на МКС на установке ПК-3, созданной совместно российскими и немецкими специалистами. Первые эксперименты на новой установке "Плазменный кристалл-4", созданной также совместно учеными из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН и Германского космического агентства (DLR), начались в июне 2015 года. В процессе исследований была выявлена необходимость усовершенствования этой установки. В июле этого года на МКС доставлено дополнительное оборудование для повышения качества эксперимента "Плазменный кристалл-4".

Цель ученых - получение и изучение плазменно-пылевых кристаллов и других упорядоченных структур в плазме. В частности, это позволяет изучать законы процессов, происходящих в протозвездах, протопланетарных кольцах и других небесных телах. В ходе экспериментов микроскопические частицы определенного размера (диаметром несколько микрометров) вводятся в неоновую или аргоновую плазму в газоразрядной трубке. Когда микрочастицы попадают в плазму, они собирают электроны и положительные ионы, в результате чего приобретают отрицательный заряд из-за более высокой подвижности электронов. Микрочастицы отталкиваются друг от друга и формируют различные трехмерные структуры. Такие исследования невозможно проводить на Земле, так как пылевые частицы подвержены действию силы тяжести и могут формировать либо двухмерные структуры, либо сильно деформированные (сжатые) трехмерные.

Несмотря на то что за двадцатилетнюю историю исследования пылевой плазмы дали много новых интересных данных, до сих пор не удалось создать полную математическую модель поведения самоорганизующихся частиц. Новое оборудование, разработанное учеными из ОИВТ РАН и DLR, позволит проводить более чистые эксперименты за счет снижения потока газа, который образует плазму, в десятки раз. Теперь можно расширить диапазон давлений газа и получать новые знания о процессах в пылевой плазме.

Когда микрочастицы находятся в плазме, на них действует целый ряд сил. Одна из основных - электрическая, воздействующая на частицу в поле разряда. Вторая - сила ионного увлечения. Третья - трение о газ: если тело входит в атмосферу, то оно теряет скорость именно из-за него, - рассказал "Известиям" старший научный сотрудник ОИВТ РАН Андрей Липаев. - Соответственно, когда мы организуем режим с протоком, возникает своего рода ветер, который увлекает частицы. Прибор, который использовался первоначально для перекрывания потока, в процессе эксплуатации в сложных условиях космического эксперимента стал давать значительную утечку газа, и частицы просто уносило потоком.

Для решения этой проблемы специалисты ОИВТ РАН и DLR разработали дополнительное устройство, которое позволяет полноценно управлять потоком газа с помощью внешнего регулятора давления и двух дополнительных клапанов. Так можно достичь стабильного положения частиц. В результате у ученых появилась возможность в полной мере контролировать условия эксперимента.

Можно сказать, что до сих пор мы просто не могли получить необходимый контроль над потоком газа и, следовательно, качественные результаты. Раньше работать с частицами размером менее 3 микрон попросту было невозможно. Между тем именно частицы размером около 1 микрона интересны с точки зрения изучения таких процессов, как, например, формирование структур, - отметил Андрей Липаев.

Новое оборудование уже установлено на МКС, с борта передается картинка в Центр управления полетами. Сотрудники ОИВТ РАН получают телеметрию и видео эксперимента, также работают звуковые каналы связи с бортом МКС - можно слышать, как проходят переговоры. Новый многодневный эксперимент с использованием дополнительного оборудования по изучению пылевых частиц в плазме недавно был завершен и оправдал ожидания. Теперь ученые будут проводить подробный анализ его результатов.

Как сообщил "Известиям" директор ОИВТ РАН Олег Петров, полученные в ходе эксперимента данные помогут понять суть процессов самоорганизации.

Исследуемая нами система является открытой диссипативной системой: есть постоянный приток энергии и постоянный ее отток. Такие системы характерны для всех живых организмов. Что происходит с этой системой, какие в ней есть явления самоорганизации? Все это можно и нужно исследовать, - отметил Олег Петров.

Данные о том, что представляет собой пылевая плазма, могут принести большую практическую пользу: они позволят, в частности, создать новые компактные энергетические батареи и лазеры и разработать технологию выращивания алмазов в условиях микрогравитации. Также данные, поступающие с борта МКС, важны для развития плазменной медицины, суть которой в том, что низкотемпературная плазма может инициировать, стимулировать и контролировать сложные биохимические процессы в живых системах.

Эксперимент ПК-4 проводится при поддержке "Роскосмоса" и Европейского космического агентства.