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.
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
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.
Учёные готовятся встретить жизнь в недрах Солнца. Учёные собираются найти генетический код в полярных сияниях. Учёные ищут разум в газопылевых дисках. Учёные вот-вот найдут гены у люминесцентной лампочки. Что это? Скажете, заголовки «жёлтых» газет? Ничего подобного! В самом деле, этими необычными утверждениями могут скоро запестреть научные журналы. Конечно, если подтвердится одно недавнее открытие.
Обычная плазма - это ионизированный газ, который является квазинейтральным. Иначе говоря, плазма представляет собой «набор» из ионов и электронов. Их электрический заряд в сумме нейтрален, поэтому плазма не заряжена. Она имеет необычные свойства, взаимодействует с внешними магнитными полями и является проводящей средой.
Плазму называет четвёртым состоянием вещества - помимо твёрдого, жидкого и газообразного. На первый взгляд, плазма - это что-то редкое и экзотическое, однако это неверное представление. По некоторым оценкам, из неё состоит до 99% Вселенной, так как она составляет основную часть галактик, звёзд, межзвёздного газа.
Но некоторых физиков интересует не столько обычная плазма, сколько более сложный случай - так называемая пылевая плазма.
Пылевая плазма отличается от «просто плазмы» наличием пылинок - крошечных частиц диаметром от 10 до 100 нанометров. Впервые пылевую плазму в лабораторных условиях в 1920-х годах наблюдал Ирвинг Лэнгмюр (Irving Langmuir), нобелевский лауреат по химии, который собственно и предложил ввести в научный обиход слово «плазма».
Но с тех пор плазма с пылью внутри практически никого не интересовала. Только самую малость она привлекала астрономов, ведь космическую плазму засоряют самые разные частицы: от звёздной пыли до тех, что входят в состав колец Сатурна .
Снимок кристаллизации настоящей пылевой плазмы. Показан участок шириной около 4 сантиметров (фото с сайта mpe.mpg.de).
Тяга к пылевой плазме у учёных снова возникла в середине 1980-х годов в связи с развитием технологий создания микросхем. Одним из важных условий разработки в ряде производственных процессов была герметичность - точнее, полное ограничение доступа пыли к заготовке. Это было связано с тем, что в определённых случаях попадание микрочастиц приводило к порче чипа.
Однако оказалось, что при создании микросхем посредством плазменного травления - метода, использующего поток плазмы для распыления подложки - от пыли избавиться очень трудно. Экспериментаторы винили в этом пыль, попадавшую снаружи в камеру, где происходит травление. Когда же они стали прикладывать больше усилий для очистки внешнего помещения, это не особенно помогло.
Долгое время никто не мог понять — в чём дело, пока внутрь камеры не направили луч лазера и не увидели, что пыль возникает в результате самого процесса травления и попадает в плазму. При этом частицы со временем в ней слипаются, и вместо нанометровых размеров они приобретают микрометровые масштабы. А это уже губительно для микроустройств.
С тех пор учёные уделяют более пристальное внимание пылевой плазме и сгущению пылинок в ней. Этот процесс называют плазменной кристаллизацией, а сами такие частицы - плазменными кристаллами.
Обычно в лаборатории плазменные кристаллы представляют собой группу частиц, равномерным образом распределённых в пространстве. Но на этот раз Морфилль решил смоделировать поведение этих частиц с помощью компьютера. В результате такого эксперимента условия были, естественно, идеальными - безо всяких внешних воздействий, в том числе, и без гравитации.
Исследователи группы Морфилля построили модель эволюции пылевого облака в плазме. (a), (b) и (c) - последовательно сменяющие друг друга стадии. Чем «краснее» пылинка, тем меньше её скорость, чем «синее» - тем больше. Если верить этой модели, воспроизводящей идеальные условия, то в стадии (c) пылинки ведут себя как нечто среднее между жидкостью и гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. Кстати, участники работы предполагают, что в пылевой плазме могут формироваться такие структуры с поликристаллическим порядком (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Каково же было удивление Морфилля и его коллег, когда они увидели, что в результате компьютерного моделирования произошло не то, что бывает в реальных условиях! По итогам их опыта оказалось, что плазменная кристаллизация привела не к возникновению регулярно распределённых в пространстве гранул, а к формированию длинных цепочек из пылинок.
Интересно, что эти цепочки сами собой закручиваются в спирали. К тому же, они стабильны и способны к взаимодействию друг с другом. Это довольно-таки странно и, можно сказать, подозрительно, ведь, как заметили исследователи в статье , опубликованной в «Новом журнале физики» (New Journal of Physics), такие особенности обычно характерны для организации живой материи. В частности, для ДНК…
Эти компьютерные структуры, как оказалось, могут эволюционировать со временем, становясь устойчивее. Кроме того, спирали при определённых параметрах плазмы могут притягиваться друг к другу - несмотря на то, что их заряд одинаков. А ещё они способны создавать собственные копии.
Процесс создания копии спирали подразумевает существование промежуточного вихря частиц, который возникает рядом с углублением в одной спирали и создает новое углубление на другой (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Ещё интереснее то, что части спиралей могут пребывать в двух устойчивых состояниях с разными диаметрами. А так как на одной спирали может помещаться множество отрезков с разными сечениями, то они, очевидно, могут и передавать таким образом информацию.
Конечно, надо не забывать о том, что такие «ДНК» (их нельзя назвать молекулами, так как в их состав входят не атомы, а более крупные пылевые частички) не могут существовать сами по себе без плазмы. Тем не менее, не исключено, что в ходе дальнейших компьютерных экспериментов они могли бы эволюционировать в более сложные структуры.
Есть над чем задуматься. Ведь пылевая плазма возникает довольно часто в природе, и было бы довольно неожиданно обнаружить молекулы, сравнимые с ДНК, скажем, в каком-нибудь экстравагантном звёздном хвосте . Понятно, что компьютерные условия отличаются от естественных. Но всё же…
Модель взаимодействия двух спиральных плазменных кристаллов. В этом расположении они действительно очень напоминают двойную спираль ДНК (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Но всё же непонятно, можно ли это назвать - хотя бы формально - жизнью? Что думают по этому поводу учёные, не участвовашие в работе Морфилля?
Кристофер Маккей (Christopher McKay), астробиолог из NASA , в этом сомневается. «Некоторые люди уверены в том, что жизнь - это самоорганизующаяся система, но то же можно сказать и об урагане, - сказал он. - Эти ребята сделали кое-что посложнее урагана и говорят, что это живой организм. Да, они говорят, что эти спирали могут хранить информацию, что является важной характеристикой жизни. Но их работа разочаровывает тем, что она чисто теоретическая».
Дэвид Грайер (David Grier), физик из университета Нью-Йорка (New York University), высказался по этому поводу более осторожно и более научно: «Называть что-то живым или неживым практически бессмысленно, ибо не существует строгого математического определения жизни».
О том, насколько данные компьютерной модели могут расходиться с реальными, можно судить по этим изображениям. (a) - картина, полученная при воспроизведении расположения частиц в пространстве, (b) - картина, полученная при моделировании в данном исследовании. К слову, одним из естественных препятствий для формирования правильных структур в природной пылевой плазме явлется неравномерность пылевых частиц в отличие от идеальных пылинок, смоделированных компьютером (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
Похожего мнения придерживается и Сет Шостак (
