Эксперимент с плазмой в космосе. Плазменные кристаллы: от космических исследований до медицинских применений на Земле и вновь обратно в космос Плазма в космосе

27.01.2024

КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА

- плазма в космич. пространстве и космич. объектах. К. п. условно можно разделить по предметам исследований: околопланетная, межпланетная , плазма звёзд и звёздных атмосфер, плазма квазаров и галактич. ядер, межзвёздная и межгалактич. плазма. Указанные типы К. п. различаются своими параметрами (ср. плотностями п, ср. энергиями частиц и т. п.), а также состояниями: термодинамически равновесными, частично или полностью неравновесными.

Межпланетная К. п. Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магн. поля у планеты и её удалённости от Солнца. Магн. планеты существенно увеличивает область удержания околопланетной плазмы, образуя естественные магнитные ловушки. Поэтому область удержания околопланетной плазмы является неоднородной. Большую роль в формировании околопланетной плазмы играют потоки солнечной плазмы, двигающиеся практически ради-ально от Солнца (т. н. солнечный ветер), плотности к-рых падают с расстоянием от Солнца. Непосредственные измерения плотности частиц солнечного ветра вблизи Земли с помощью космич. аппаратов дают значения п (1-10) см -3 . Плазма околоземного космич. пространства обычно разделяется на плазму ионосферы, имеющую п до 10 5 см -3 на высотах 350 км, плазму радиационных поясов Земли ( п 10 7 см -3) и магнитосферы Земли ;вплоть до неск. радиусов Земли простирается т. н. плазмосфера, плотность к-рой п 10 2 см -3 .

Особенность плазмы верх. ионосферы, радиац. поясов и магнитосферы в том, что она является бесстолкновительной, т. е. пространственно-временные масштабы волновых и колебат. процессов в ней намного меньше столкновительных. Релаксация по энергиям и импульсам протекает не за счёт столкновений, а через коллективных степеней свободы плазмы - колебаний и волн. В плазме подобного типа, как правило, отсутствует термодинамич. равновесие, в частности между электронной и ионной компонентами. Быстропротекающие в них, напр. ударные , также определяются возбуждением мелкомасштабных колебаний и волн. Характерным примером является бесстолкновительная , образующаяся при обтекании солнечным ветром магнитосферы Земли.

Звёздная К. п. Солнце и можно рассматривать как гигантские сгустки К. п. с плотностью, постоянно возрастающей от внеш. частей к центру: корона, хромосфера, фотосфера , конвективная зона, ядро. В т. н. нормальных звёздах высокие темп-ры обеспечивают термич. ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое плазмы поддерживает гидростатич. равновесие. Макс. расчётная плотность К. п. в центре нормальных звёзд п 10 24 см -3 , темп-pa до 10 9 К. Несмотря на высокие плотности, плазма здесь обычно идеальная за счёт высоких темп-р; только в звёздах с малыми массами (0.5 массы Солнца) появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центр. областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столкновительная, равновесная; в верх. слоях, в особенности хромосфере и короне, плазма бесстолкновительная. (Эти расчётные модели основаны на ур-ниях магнитной гидродинамики. )

В массивных и компактных звёздах плотность К. п. может быть на неск. порядков выше, чем в центре нормальных звёзд. Так, в белых карликах плотность настолько велика, что электроны оказываются вырожденными (см. Вырожденный газ). Ионизация вещества обеспечивается за счёт большой величины кинетич. энергии частиц, определяемой фер ми-энергией ;. это же является причиной идеальности К. п. в белых карликах. Статич. равновесие обеспечивается фермиевским давлением электронов вырожденной плазмы. Ещё большие плотности вещества, возникающие в нейтронных звёздах, приводят к вырождению не только электронов, но и нуклонов. К нейтронным звёздам относятся - компактные звёзды, имеющие диаметры 20 км при массе 1 М . Пульсары характеризуются быстрым вращением (играющим важную роль в механич. равновесии звезды) и магн. полем дипольного типа (10 12 Гс на поверхности), причём магн. ось не обязательно совпадает с осью вращения. Пульсары обладают магнитосферой, заполненной релятивистской плазмой, к-рая является источником излучения эл.-магн. волн.

Диапазон темп-р и плотностей К. п. огромен. На рис. схематически показано разнообразие видов плазмы и их примерное расположение на диаграмме температура-плотность. Как видно из диаграммы, последовательность в уменьшении плотности К. п. приблизительно такова: плазма звёзд, околопланетная плазма, плазма квазаров и галактич. ядер, межпланетная плазма, межзвёздная и межгалактич. плазма. За исключением плазмы ядер звёзд и ниж. слоев околопланетной плазмы, К. п. является бесстолкновительной. Поэтому она часто бывает термодинамически неравновесной, а ф-ции распределения составляющих её заряж. частиц по скоростям и энергиям далеки от максвелловских. В частности, они могут содержать пики, соответствующие отд. пучкам заряж. частиц, быть анизотропными, в особенности в магн. космич. полях, и т. п. Такая плазма "избавляется" от неравновесности не через столкновения, а наиб. быстрым путём - через возбуждение эл.-магн. колебаний и волн (см. Бесстолкновительные ударные волны). Это приводит к тому, что излучения космич. объектов, содержащих бесстолкновительную плазму, намного превосходит мощность равновесного излучения, а заметно отличается от планковского. Примером является квазаров, к-рое и в радио- и в оптич. диапазоне имеет неравновесный характер. И, несмотря на неоднозначность теоретич. интерпретации наблюдаемого излучения, все теории указывают на важность роли потоков релятивистских электронов, распространяющихся на фоне основной плазмы.

Др. источник неравновесного радиоизлучения - радиогалактики, к-рые по размерам значительно превосходят галактики, видимые в оптич. диапазоне. Здесь также важную роль играют релятивистские электроны, выбрасываемые из галактик и распространяющиеся на фоне окружающей галактики плазмы. Неравновесность магнитосферной плазмы, проявляющаяся также в наличии пучков заряж. частиц, приводит к километровому радиоизлучению Земли.

Классификация видов плазмы: ГР - плазма газового разряда; МГД - плазма в магни-тогидродинамичес-них генераторах; ТЯП-М - плазма в термоядерных магнитных ловушках; ТЯП-Л - плазма в условиях лазерного термоядерного синтеза: ЭГМ - в металлах; ЭДП - электронно-дырочная плазма в полупроводниках; БК- вырожденный электронный в белых карликах; И - плазма ионосферы; СВ - плазма солнечного ветра; СК - плазма солнечной короны; С - плазма в центре Солнца; МП - плазма в магнитосферах пульсаров.

Неравновесные плазменные явления приводят также к тому, что плазма не только мощно излучает, но и становится турбулентной за счёт того, что определ. типы возбуждаемых волн и колебаний либо "задерживаются" в плазме долго либо вообще не могут "покинуть" плазму (напр., ленгмюровские ). Это позволяет найти путь для решения проблемы т. н. "обойдённых" элементов в теории происхождения элементов во Вселенной. Наиб. распространённая теория происхождения элементов предполагает, что из исходных протонов и нейтронов образуются путём последоват. захвата нейтронов, а когда новый изотоп перегружен нейтронами, то в результате его радиоактивного распада с испусканием электрона и возникает новый элемент. Однако есть "обойдённые" элементы (напр., литий, бор и т. д.), образование к-рых нельзя объяснить захватом нейтронов; их происхождение, возможно, связано с ускорением заряж. частиц в областях с высокой степенью плазменной турбулентности и последующими ядерными реакциями ускоренных частиц.

К. п. удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптич. телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных спутниковых телескопов в рентгеновском и g-диапазонах излучения. С помощью приборов, установленных на ракетах, спутниках и космич. аппаратах, быстро расширяется диапазон прямых измерении параметров К. п. в пределах Солнечной системы. Эти методы включают в себя использование зондовых, волновых низко- и высокочастотных спектрометрич. измерений, измерений магн. и электрич. полей (см. Диагностика плазмы). Так были обнаружены радиац. пояса Земли, бесстолкновительная ударная волна впереди магнитосферы Земли, хвост магнитосферы, километровое излучение Земли, магнитосферы планет от Меркурия до Сатурна и т. д.

Совр. космич. техника позволяет проводить т. н. активные эксперименты в космосе - активно воздействовать на К. п., в первую очередь околоземную, радиоизлучениями, пучками заряж. частиц, плазменными сгустками и т. п. Эти методы используются для диагностики, моделирования естеств. процессов в реальных условиях, инициирования естеств. явлений (напр., полярных сияний).

Типы К. п. в космологии. По coвp. представлениям, Вселенная возникла во т. н. большого взрыва (big-bang). В период разлёта вещества (расширяющаяся Вселенная), помимо гравитации, определяющей разлёт, три остальных типа взаимодействия (сильное, слабое и эл.-магнитное) вносят свой вклад в плазменные явления на разных стадиях разлёта. При чрезвычайно высоких темп-pax, характерных для ранних стадий разлёта, такие частицы, как, напр., W +- и Z 0 -бозоны, ответственные за слабые взаимодействия, были безмассовыми, как и фотоны ( эл.-магн. и слабых взаимодействий). Это означает, что являлось дальнодействующим, в к-ром аналогом самосогласованному эл.-магн. полю было Янга - Миллса поле. Т. о., вся лептонная компонента вещества находилась в состоянии плазмы. Учитывая имеющуюся в стандартной модели связь времени разлёта t и темп-ры термодинамически равновесного вещества Т : t(c )1/T 2 . (темп-pa в МэВ), можно оценить время, в течение к-poro существовала такая лептонная плазма. При темп-pax Т, приближающихся к энергии покоя Z 0 -бозона Mz с 2 100 ГэВ (соответствующее время t 10 -10 с), происходит со спонтанным нарушением симметрии слабых и эл.-магн. взаимодействий, приводящий к появлению масс у W +- и Z 0 -бoзонoв, после чего лишь заряженные взаимодействуют с помощью только одних дальнодействующих сил - электромагнитных.

Адронная (сильно взаимодействующая) компонента вещества при столь высоких темп-pax также находится в своеобразном плазменном состоянии, наз. кваркглюонной плазмой. Здесь между кварками осуществляется также безмассовыми глюонными полями. При плотностях горячей кварк-глюонной плазмы ( п Т 3 )со ср. расстоянием между элементарными частицами 10 -13 см - радиус нуклона (при этом Т 100 МэВ) кварк-глюонная плазма является идеальной и может быть бесстолкновительной. При дальнейшем остывании Вселенной, когда за время t 10 -4 с темп-pa падает до T 100 МэВ (энергии покоя -мезонов), происходит новый фазовый переход: кварк-глюонная плазма - адронное (характеризующееся короткодействием с радиусом взаимодействия 10 -13 см). Это вещество состоит из стабильных нуклонов и быстро распадающихся адронов. Общее состояние К. п. в последующий затем период определяется заряж. лептонной (в основном элект-ронно-позитронной) компонентой, т. к. во Вселенной сохраняется отношение полного барионного заряда к лептонному и само это отношение весьма мало (10 -9). В итоге при малых временах (t 1 с) К. п. является ультрарелятивистской и в основном электронно-позитронной. В момент времени t 1 с темп-pa электронно-позитронной плазмы падает до 1 МэВ и ниже, при этом начинается интенсивная аннигиляция электронно-позитронных , после чего К. п. медленно приближалась к совр. состоянию, мало меняясь по составу элементарных частиц.

Лит.: Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная

Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе технический вакуум, а стало быть ничего не содержится (не в абсолютном смысле, что ничего не содержится, а в относительном смысле). И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:

Корональный газ
Яркие области HII
Зоны HII низкой плотности
Межоблачная среда
Тёплые области HI
Мазерные конденсации
Облака HI
Гигантские молекулярные облака
Молекулярные облака
Глобулы

Мы не будем сейчас вдаваться в подробности что есть каждая структура, так как тема данной публикации - плазма. К плазматическим структрам можно отнести: корональный газ, яркие области HII, Тёплые области HI, Облака HI, т.е. практически весь список можно назвать плазмой. Но, возразите Вы, космос физический вакуум, и как же там может быть плазма с такой концентрацией частиц?

Чтобы ответить на данный вопрос, надо дать определение: что же такое плазма и по каким параметрам физики считают данное состояние вещества плазмой?
Согласно современным представлениям о плазме, это четвёртое состояние вещества, которое находится в газообразном состоянии, сильно ионизированное (первое состояние - твёрдое тело, второе - жидкое состояние и наконец третье - газообразное). Но не каждый газ, даже ионизированный, является плазмой.

Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная

Где - концентрация электронов, - концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации

Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности , т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?

Итак, требование квазинейтральности следующее:

Давайте сначала выясним, как физики оценивают временной масштаб разделения зарядов. Представим себе, что некоторый электрон в плазме отклонился от своего первоначального равновесного положения в пространстве. На электрон начинает действовать кулоновская сила , стремящаяся вернуть электрон в равновесное состояние, т.е. , где - среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть . Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга , значит занимают объём в среднем . Отсюда, если в этом объёме 1 электрон, . В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой
Более точная формула
Эта частота называется электронной ленгмюровской частотой . Её вывел американский химик Ирвин Ленгмюр, лауреат нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».

Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте

В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени частицы совершают много колебаний около равновесного положения и плазма в целом будет квазинейтральная, т.е. по временным масштабам межзвёздную среду можно принять за плазму.

Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос - это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен

где . Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией . С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится . Если сравнять эти две энергии, то мы получим формулу скорости, представленную выше.

Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .

Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной , где - заряд электрона, - концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона

Здесь - диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана
Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим
Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.
Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим
Это и есть уравнение Дебая. Более точное название - уравнение Дебая-Хюккеля. Как мы выяснили выше, в плазме, как в квазинейтральной среде, второе слагаемое в этом уравнении равно нулю. В первом слагаемом мы по сути имеем длину Дебая .

В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около метров. Мы видим, что это достаточно большие величины, по сравнению, например, с диэлектриками. Это означает, что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия с частотой, равной ленгмюровской.

Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму

Теги: Добавить метки

Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе абсолютный физический вакуум, а стало быть ничего не содержится. И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:

Корональный газ
Яркие области HII
Зоны HII низкой плотности
Межоблачная среда
Тёплые области HI
Мазерные конденсации
Облака HI
Гигантские молекулярные облака
Молекулярные облака
Глобулы

$$display$$r = N_e/N_n$$display$$

$inline$N_e$inline$

Концентрация электронов,

$inline$N_n$inline$

Концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне

$inline$(r . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации $inline$r to infty$inline$

Итак, требование квазинейтральности следующее:

$$display$$sum_{alpha}e_{alpha}N_{alpha} = 0$$display$$

$inline$F approx e^2/{r^2}_{ср}$inline$

$inline$r_{ср}$inline$

Среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть

$inline$N_e$inline$

Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга

$inline$r_{ср}$inline$

Значит занимают объём в среднем

$inline$V = frac{4}{3}pi r_{ср}^3$inline$

Отсюда, если в этом объёме 1 электрон,

$inline$r_{ср} = (frac{3}{4pi N_e})^{1/3}$inline$

В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой

$$display$$omega approx sqrt{frac{F}{mr_{ср}}} approx sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{3m}}$$display$$

Более точная формула

$$display$$omega_{Le} = sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{m}}$$display$$

Эта частота называется электронной ленгмюровской частотой . Её вывел американский химик Ирвин Ленгмюр, лауреат нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».

$$display$$tau = 2pi / omega_{Le}$$display$$

В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени

$inline$t >> tau$inline$

частицы совершают много колебаний около равновесного положения и плазма в целом будет квазинейтральная, т.е. по временным масштабам межзвёздную среду можно принять за плазму.

$$display$$r_{De} approx frac{upsilon_{Te}}{omega_{Le}} = sqrt{frac{kT_e}{4pi e^2 N_e}}$$display$$

$inline$upsilon_{Te} = sqrt{frac{kT_e}{m}}$inline$

Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией

$inline$E_k = frac{m upsilon^2}{2}$inline$

С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится

$inline$E = frac{1}{2} kT_e$inline$

Если сравнять эти две энергии, то мы получим формулу скорости, представленную выше.

Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .

$inline$sum e_j n_j$inline$

$inline$e_j$inline$

Заряд электрона,

$inline$n_j$inline$

Концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона

$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_j$$display$$

$inline$epsilon$inline$

Диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана

$$display$$n_j ({r}) = n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$$display$$

Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим

$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$$display$$

Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.

$$display$$exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e}) = 1 – frac{e_j phi({r})}{kT_e}$$display$$

Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим

$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = (sum frac{n_{0j} e_{j}^2}{epsilon epsilon_0 kT_e}) phi({r}) – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum n_{0j} e_{j}$$display$$

Это и есть уравнение Дебая. Более точное название - уравнение Дебая-Хюккеля. Как мы выяснили выше, в плазме, как в квазинейтральной среде, второе слагаемое в этом уравнении равно нулю. В первом слагаемом мы по сути имеем длину Дебая .

В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около

$inline$10^5$inline$

метров. Мы видим что это достаточно большие величины, по сравнению например с диэлектриками. Это означает что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия, с частотой равной ленгмюровской.

С начала 1990-х годов повышенный интерес у физиков стала вызывать так называемая пылевая плазма, отличающаяся от плазмы обычной присутствием в ней относительно крупных (в сравнении с размерами ионов) микрочастиц-пылинок диаметром от 10 до 100 нанометров. Интерес ученых возник поневоле, поскольку пыль в плазме существенно портила тонкие технологические процессы плазменного травления, применяемые в производстве микрочипов. Углубленное же изучение проблемы показало, что одноименно заряженные микрочастицы, находящиеся в потоке плазмы, вопреки интуиции и законам физики не разлетаются в стороны, а притягиваются друг к другу, образуя крупные комки и загрязняя чистоту обработки.

Более тщательное изучение проблемы - эксперименты на земле и в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции, компьютерное моделирование - привело исследователей к выводу о том, что пылевая плазма в плазменных потоках представляет собой совершенно особое состояние вещества. Одна из важнейших особенностей данного состояния - это постоянно идущие в нем сильные процессы диссипации, т.е. энергетических обменов с внешней средой, обеспечивающие образование самоорганизующихся структур. При этом плазменные потоки и электрические поля создают для пыли весьма специфические условия, обеспечивающие притяжение одноименно заряженных пылевых частиц на больших расстояниях. При подходящих условиях естественным следствием этих процессов может становиться образование в плазме устойчивых «пылевых кристаллов».

Эксперименты такого рода в условиях гравитации обычно приводят к формированию плоских кристаллов в виде решетки вихревых конвективных ячеек регулярной структуры. Однако в опытах с компьютерными симуляциями, моделирующими отсутствие силы тяжести, плоский вихрь приобретает цилиндрическую форму, а образующие его пылинки могут самоорганизовываться в структуры одинарной или двойной винтовой спирали. Не заметить сходство с ДНК тут, ясное дело, довольно сложно. И летом 2007 г. в «Новом журнале физики», быстро набравшем популярность и авторитет онлайновом международном издании, была опубликована весьма дискуссионная работа о текущих итогах в изучении плазменно-пылевых кристаллов. Статью подготовили один из патриархов физики плазмы, академик Вадим Н. Цытович, и группа его коллег из институтов России, Германии и Австралии, а итоги ее свелись к выводу об открытии структур, весьма похожих на неорганическую жизнь.

В частности, исследователями установлено, что определенные условия среды, повсеместно обнаруживаемые в космосе, могут приводить к самообразованию спиралевидных структур из частиц пылевой плазмы. При этом в некоторых из таких структур отмечены так называемые бифуркации радиуса, т.е. резко изменяющиеся переходы от одного радиуса винта к другому и обратно, что предоставляет механизм для хранения информации в терминах длины и радиуса секций спирали. Более того, в некоторых компьютерных симуляциях спираль разделялась на две, эффективно воспроизводя саму себя. В других экспериментах две спирали вызывали структурные изменения друг в друге, а некоторые спирали даже демонстрировали эволюцию, с течением времени преобразуясь в более устойчивые структуры…

В ноябре было объявлено о прекращении на МКС эксперимента «Плазменный кристалл». Специальное оборудование для эксперимента было помещено в грузовой корабль «Альберт Эйнштейн» и сгорело вместе с ним над Тихим океаном. Так закончилась длинная история, наверное, самого известного космического эксперимента. Я хочу рассказать о нём и чуть-чуть рассказать о науке на МКС в целом.

А где открытия?

Прежде всего, необходимо сделать несколько демотивирующее вступление. Современная наука - это не компьютерная игра, где, в принципе, нет бесполезных исследований, и каждое открытие дает заметный бонус. И, увы, прошли времена, когда гений-одиночка типа Эдисона мог один наизобретать много кардинально меняющих жизнь устройств. Сейчас наука - это методичное движение вслепую по всем доступным путям, которое осуществляется большими организациями, длится годами и может привести к нулевым результатам. Поэтому информация об исследованиях на МКС, которая публикуется регулярно , без адаптации в научно-популярный вид выглядит, если честно, весьма скучно. В то же время, некоторые из этих экспериментов являются действительно интересными, и, если и не обещают нам мгновенных сказочных результатов, то дают надежду на улучшение понимания того, как устроен мир, и куда нам двигаться за новыми фундаментальными и прикладными открытиями.

Идея эксперимента

Известно, что вещество может пребывать в четырёх фазовых состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма - это 99,9% массы Вселенной, начиная от звезд и заканчивая межзвездным газом. На Земле плазма - это молнии, северное сияние и, например, газоразрядные лампы. Плазма, содержащая частицы пыли также весьма распространена - это планетарные кольца, кометные хвосты, межзвездные облака. И идея эксперимента состояла в искусственном создании плазмы с микрочастицами пыли и наблюдением за её поведением в условиях земной тяжести и микрогравитации.

В первом варианте эксперимента (на картинке) ампула с пылевой плазмой подсвечивалась лучами Солнца, пыль в плазме подсвечивал лазер, и подсвеченный участок снимался на камеру. В дальнейшем применялись более сложные экспериментальные установки. «Черная бочка», сгоревшая вместе с «Альбертом Эйнштейном» была установкой уже третьего поколения.

Результаты

Эксперименты в условиях микрогравитации оправдали надежды ученых - пылевая плазма по своей структуре становилась кристаллической или проявляла свойства жидкостей. В отличие от идеального газа, в котором молекулы движутся хаотично (см. тепловое движение), пылевая плазма, будучи газом, проявляет свойства твердых и жидких тел - возможны процессы плавления и испарения.
В то же время, были и неожиданные открытия. Например, в кристалле могла возникнуть полость. Почему - пока неизвестно.

Но самым неожиданным открытием явилось то, что пылевая плазма при некоторых условиях формировала спиральные структуры, похожие на ДНК! Возможно, даже происхождение жизни на Земле каким-то образом связано с пылевой плазмой.

Перспективы

Результаты многолетних исследований по эксперименту «Плазменный кристалл» показывают принципиальную возможность:

Формирования в пылевой плазме наноматериалов с уникальными свойствами.
Осаждения материалов из пылевой плазмы на подложку и получения новых типов покрытий - многослойных, пористых, композитных.
Очистки воздуха от промышленных и радиационных выбросов и при плазменном травлении микросхем.
Плазменной стерилизация неживых предметов и открытых ран на живых существах.

К сожалению, вся эта красота станет доступной не раньше, чем лет через десять. Потому что по результатам работы нужно построить экспериментальные прикладные установки, опытные образцы, провести испытания или клинические исследования, организовать серийное производство.

pelican51.ru

А где открытия?

Идея эксперимента

Результаты

Перспективы