Kasım ayında ISS'deki Plazma Kristal deneyinin sonlandırılacağı duyuruldu. Özel ekipman deney için yerleştirildi kargo gemisi"Albert Einstein" ve yukarıda onunla birlikte yakıldı Pasifik Okyanusu. Muhtemelen en ünlü uzay deneyinin uzun hikayesi böylece sona erdi. Bunun hakkında konuşmak ve genel olarak ISS'deki bilim hakkında biraz konuşmak istiyorum.

Keşifler nerede?

Öncelikle motivasyonunuzu biraz düşüren bir giriş yapmanız gerekiyor. Modern bilim- Bu, prensipte gereksiz araştırmaların olmadığı ve her keşfin gözle görülür bir bonus sağladığı bir bilgisayar oyunu değildir. Ve ne yazık ki, Edison gibi yalnız bir dehanın, yaşamı değiştiren pek çok cihazı tek başına icat edebildiği zamanlar geçti. Artık bilim, büyük organizasyonlar tarafından yürütülen, yıllarca süren ve sıfır sonuca yol açabilen, mevcut tüm yollar boyunca körü körüne metodik bir harekettir. Bu nedenle, popüler bilime uyarlanmadan düzenli olarak yayınlanan ISS ile ilgili araştırmalara ilişkin bilgiler açıkçası çok sıkıcı görünüyor. Aynı zamanda bu deneylerden bazıları gerçekten ilginçtir ve eğer bize anında bir şey vaat etmezlerse muhteşem sonuçlar Daha sonra dünyanın nasıl işlediğine ve yeni temel ve uygulamalı keşifler için nereye gitmemiz gerektiğine dair daha iyi bir anlayış için umut veriyorlar.

Deney fikri

Maddenin katı, sıvı, gaz ve plazma olmak üzere dört faz halinde bulunabileceği bilinmektedir. Plazma, yıldızlardan yıldızlararası gaza kadar Evrenin kütlesinin %99,9'unu oluşturur. Dünya'da plazma yıldırım, kuzey ışıkları ve örneğin gaz deşarj lambalarıdır. Toz parçacıkları içeren plazma da çok yaygındır; bunlar gezegen halkalarıdır, kuyruklu yıldız kuyrukları, yıldızlararası bulutlar. Ve deneyin fikri şuydu: yapay yaratım toz mikropartikülleri içeren plazma ve yer çekimi ve mikro yerçekimi koşullarında davranışının gözlemlenmesi.

Deneyin ilk versiyonunda (resimde), tozlu plazma içeren bir ampul Güneş ışınlarıyla aydınlatılmış, plazmadaki toz lazerle aydınlatılmış ve aydınlatılan alan kamerayla filme alınmıştır. Daha sonra daha karmaşık deney düzenekleri kullanıldı. “Albert Einstein” ile birlikte yanan “kara varil” zaten üçüncü nesil bir enstalasyondu.

sonuçlar

Mikro yerçekimi koşullarında yapılan deneyler bilim adamlarının umutlarını karşıladı; tozlu plazma yapı olarak kristalimsi hale geldi veya sıvıların özelliklerini sergiledi. Farklı Ideal gaz Moleküllerin düzensiz hareket ettiği (termal harekete bakınız), gaz olan toz plazması, katı ve sıvı cisimlerin özelliklerini sergiler - erime ve buharlaşma süreçleri mümkündür.
Aynı zamanda beklenmedik keşifler de oldu. Örneğin kristalde bir boşluk görünebilir. Nedeni hala bilinmiyor.

Ancak en beklenmedik keşif, tozlu plazmanın belirli koşullar altında DNA'ya benzer sarmal yapılar oluşturmasıydı! Belki de Dünya'daki yaşamın kökeni bile bir şekilde toz plazmasıyla bağlantılıdır.

Umutlar

“Plazma Kristali” deneyi üzerine uzun yıllar süren araştırmaların sonuçları, aşağıdakilerin temel olasılığını göstermektedir:

Tozlu plazmada benzersiz özelliklere sahip nanomateryallerin oluşumu.
Malzemelerin tozlu plazmadan bir alt tabakaya biriktirilmesi ve yeni tür kaplamaların elde edilmesi - çok katmanlı, gözenekli, kompozit.
Endüstriyel ve radyasyon emisyonlarından ve mikro devrelerin plazma aşındırması sırasında havanın arıtılması.
Canlı olmayan nesnelerin ve canlılardaki açık yaraların plazma sterilizasyonu.

Ne yazık ki, tüm bu güzellikler on yıldan daha erken olmayacak. Çünkü çalışmanın sonuçlarına göre deneysel uygulamalı kurulumlar, prototipler oluşturmak, testler yapmak veya klinik araştırmalar, seri üretimi organize edin.

giriiş

Tozlu plazma, yoğunlaştırılmış madde parçacıkları içeren iyonize bir gazdır. Bu tür sistemleri tanımlamak için kullanılan diğer terimler "karmaşık plazma", "kolloidal plazma" ve ayrıca "yoğunlaştırılmış dağılmış faza sahip plazma"dır. Toz ve tozlu plazma uzayda yaygındır. Gezegen halkalarında, kuyruklu yıldız kuyruklarında, gezegenler arası ve yıldızlararası bulutlarda bulunurlar. Yapay dünya uydularının yakınında keşfedilen toz plazması ve uzay aracı, manyetik sınırlamalı termonükleer tesislerde. Son olarak, tozlu plazma laboratuvar koşullarında çok aktif bir şekilde incelenmektedir. Toz parçacıkları yalnızca kasıtlı olarak plazmaya verilmekle kalmaz, aynı zamanda çeşitli işlemler sonucunda kendiliğinden de oluşur. Plazma toz sistemlerinin yaygın olarak bulunması ve bir dizi benzersiz özelliği, toz plazmasını son derece çekici ve ilgi çekici bir çalışma nesnesi haline getirmektedir.

Plazmadaki toz parçacıkları elektrik şarjı ve plazmanın ek yüklü bir bileşenini temsil eder. Bununla birlikte, tozlu plazmanın özellikleri, çok bileşenli elektron ve çeşitli tipteki iyon plazmasının özelliklerinden çok daha zengindir. Toz parçacıkları, plazma elektronlarının ve iyonlarının rekombinasyon merkezleridir ve bazen de bir elektron kaynağıdır. Bu nedenle toz bileşeni iyonizasyon dengesini önemli ölçüde etkileyebilir. Toz parçacıklarının yükü sabit bir değer değildir, çevredeki plazmanın parametreleri tarafından belirlenir ve hem zamana hem de mekana göre değişebilir. Ek olarak, şarj etme stokastik bir süreç olduğundan, şarj, çevredeki plazmanın sabit parametreleriyle bile dalgalanır.

Plazma kristali

Toz plazma parçacıkları uzayda belirli bir şekilde sıralanabilir ve plazma kristali adı verilen bir yapı oluşturabilir. Plazma kristali eriyip buharlaşabilir. Toz plazma parçacıkları yeterince büyükse kristal görülebilir çıplak göz.

Toz kristallerinin yapı malzemesi, belirli bir deneyin koşullarına bağlı olarak boyutları onlarca mikrona kadar değişebilen makropartiküllerdir. Bu tür kristallerdeki kafes sabiti genellikle Debye tarama yarıçapını önemli ölçüde aşar ve yüzlerce mikrona ulaşabilir. Birçok durumda plazmada kristal toz yapılarının oluşmasının yanı sıra plazma-toz damlacıkları tespit edilmiş ve bu tür sistemlerde gaz-sıvı faz geçişleri gözlemlenmiştir.

Toz parçacıklarının yükü aşırı derecede yüksek olabilir. büyük miktarda ve elektron yükünü yüzlerce, hatta yüzbinlerce kez aşar. Sonuç olarak, parçacıkların ortalama Coulomb etkileşim enerjisi, yükün karesiyle orantılı olarak ortalamalarını büyük ölçüde aşabilir. Termal enerji. Sonuç, davranışı ideal gaz yasalarına uymadığı için oldukça kusurlu olarak adlandırılan bir plazmadır. (Parçacıkların etkileşim enerjisi termal enerjisinden çok daha azsa plazmanın ideal bir gaz olarak kabul edilebileceğini hatırlayın).

Plazma kristalleri bir sıvı veya sıvıdaki uzaysal yapılara benzer. sağlam vücut. Burada erime, buharlaşma gibi faz geçişleri meydana gelebilir.

Toz plazma parçacıkları yeterince büyükse, plazma kristali çıplak gözle gözlemlenebilir. Kristal yapıların oluşumu, alternatif ve statik elektrik alanları tarafından tutulan mikron boyutunda yüklü demir ve alüminyum parçacıklarından oluşan bir sistemde kaydedildi. Düşük basınçta yüksek frekanslı bir deşarjın zayıf iyonize plazmasındaki makropartiküllerin Coulomb kristalizasyonu. Böyle bir plazmadaki elektronların enerjisi birkaç elektron volttur (eV) ve iyonların enerjisi, oda sıcaklığındaki (~ 0,03 eV) atomların termal enerjisine yakındır. Bunun nedeni elektronların daha hareketli olması ve nötr toz parçacığına yönelik akılarının iyon akısını önemli ölçüde aşmasıdır. Parçacık elektronları “yakalar” ve negatif olarak yüklenmeye başlar. Bu biriken negatif yük sırayla elektronların itilmesine ve iyonların çekilmesine neden olur. Parçacığın yükü, yüzeyindeki elektron ve iyon akışları eşit oluncaya kadar değişir. Yüksek frekanslı bir deşarjla toz parçacıklarının yükü artacak ve negatif olacaktır. Yerçekimi ve elektrostatik kuvvetler arasında bir denge kurulduğundan, alt elektrotun yüzeyinin yakınında yüklü toz parçacıklarından oluşan bir bulut havada asılı kaldı. Dikey yönde birkaç santimetrelik bir bulut çapıyla, parçacık katmanlarının sayısı birkaç on mikrometreydi.

Akademisyen V. FORTOV, Ekstrem Durumların Termofizik Enstitüsü Direktörü Rus Akademisi Bilim.

Nisan 2005'te akademisyen Vladimir Evgenievich Fortov prestijli bir uluslararası ödül aldı - altın madalya Albert Einstein'ın adını taşıyan bu ödül, bilimin gelişimine yaptığı olağanüstü katkılardan dolayı kendisine verildi. fizik ve uluslararası bilimsel işbirliği. Akademisyen Fortov'un bilimsel ilgi alanı, plazma da dahil olmak üzere maddenin aşırı durumlarının fiziği alanında yatmaktadır. Hariç karanlık madde Plazma, maddenin doğadaki en yaygın halidir: Evrendeki sıradan maddenin yaklaşık %95'inin bu halde olduğu tahmin edilmektedir. Yıldızlar onlarca ve yüz milyonlarca derece sıcaklıktaki iyonize gazlardan oluşan plazma kümeleridir. Plazma özellikleri temeli oluşturur modern teknolojiler kapsamı oldukça geniştir. Plazma, elektrik deşarjlı lambalarda ışık yayarak renkli bir görüntü oluşturur. plazma panelleri. Plazma reaktörleri mikroçipler üretmek, metalleri sertleştirmek ve yüzeyleri temizlemek için plazma akışlarını kullanır. Plazma tesisleri atıkları işler ve enerji üretir. Plazma Fiziği - aktif gelişmekte olan alan bugüne kadar şaşırtıcı keşiflerin yapıldığı bilim, olağandışı olaylar Anlamayı ve açıklamayı gerektirir. Düşük sıcaklıktaki plazmada yakın zamanda keşfedilen en ilginç olgulardan biri, bir "plazma kristali"nin, yani ince parçacıkların (plazma tozu) uzaysal olarak düzenli bir yapısının oluşmasıdır.

Bilim ve yaşam // İllüstrasyonlar

Kozmonotlar S. Krikalev ve Yu. Gidzenko, Plazma Kristal ekipmanını ISS'ye kuruyor (2001).

TOZLU PLAZMA NEDİR?

Tozlu plazma, toz tanecikleri (katı madde parçacıkları) içeren iyonize bir gazdır. Bu tür plazma genellikle uzayda bulunur: gezegen halkalarında, kuyruklu yıldız kuyruklarında, gezegenler arası ve yıldızlararası bulutlarda. Yapay Dünya uydularının yakınında ve duvara yakın bölgede keşfedildi termonükleer tesisler manyetik sınırlamanın yanı sıra plazma reaktörlerinde, arklarda, deşarjlarda.

Toz plazması ilk olarak geçen yüzyılın 20'li yıllarında Amerikalı Irving Langmuir tarafından laboratuvar koşullarında elde edildi. Ancak, yalnızca son on yılda aktif olarak incelenmeye başlandı. Artan ilgi Tozlu plazmanın özellikleri, mikroelektronikte plazma püskürtme ve aşındırma teknolojilerinin gelişmesinin yanı sıra ince filmlerin ve nanopartiküllerin üretimiyle ortaya çıktı. Boşaltma odasının elektrotlarının ve duvarlarının tahrip olması sonucu plazmaya giren katı parçacıkların varlığı, yalnızca yarı iletken çiplerin yüzeyinin kirlenmesine yol açmakla kalmaz, aynı zamanda plazmayı genellikle öngörülemeyen şekillerde bozar. Bunları azaltmak veya önlemek için olumsuz olaylar Gaz deşarjlı bir plazmada yoğunlaşmış parçacıkların oluşma ve büyüme süreçlerinin nasıl gerçekleştiğini ve plazma toz taneciklerinin deşarjın özelliklerini nasıl etkilediğini anlamak gerekir.

PLAZMA KRISTAL

Toz parçacıklarının boyutları nispeten büyüktür - bir mikronun kesirlerinden birkaç on, bazen yüzlerce mikrona kadar. Yükleri son derece büyük olabilir ve bir elektronun yükünü yüzlerce, hatta yüz binlerce kez aşabilir. Sonuç olarak, parçacıkların yükün karesiyle orantılı ortalama Coulomb etkileşim enerjisi, ortalama termal enerjilerini büyük ölçüde aşabilir. Sonuç, davranışı ideal gaz yasalarına uymadığı için son derece ideal olmayan olarak adlandırılan bir plazmadır. (Parçacıkların etkileşim enerjisi termal enerjisinden çok daha azsa plazmanın ideal bir gaz olarak kabul edilebileceğini hatırlayın).

Tozlu plazmanın denge özelliklerine ilişkin teorik hesaplamalar, belirli koşullar altında güçlü elektrostatik etkileşimin düşük termal enerjiyi "ele geçirdiğini" ve yüklü parçacıkları uzayda belirli bir şekilde sıraya girmeye zorladığını göstermektedir. Coulomb veya plazma kristali adı verilen düzenli bir yapı oluşur. Plazma kristalleri, sıvı veya katı bir maddedeki uzaysal yapılara benzer. Burada erime, buharlaşma gibi faz geçişleri meydana gelebilir.

Toz plazma parçacıkları yeterince büyükse, plazma kristali çıplak gözle gözlemlenebilir. İlk deneylerde, kristal yapıların oluşumu, alternatif ve statik elektrik alanları tarafından tutulan mikrometre boyutunda yüklü demir ve alüminyum parçacıklarından oluşan bir sistemde kaydedildi. Daha sonraki çalışmalarda, düşük basınçta yüksek frekanslı bir deşarjın zayıf iyonize plazmasındaki makropartiküllerin Coulomb kristalleşmesinin gözlemleri yapıldı. Böyle bir plazmadaki elektronların enerjisi birkaç elektron volttur (eV) ve iyonların enerjisi, oda sıcaklığındaki (~ 0,03 eV) atomların termal enerjisine yakındır. Bunun nedeni elektronların daha hareketli olması ve nötr toz parçacığına yönelik akılarının iyon akısını önemli ölçüde aşmasıdır. Parçacık elektronları “yakalar” ve negatif olarak yüklenmeye başlar. Bu biriken negatif yük, elektronların itmesine ve iyonların çekmesine neden olur. Parçacığın yükü, yüzeyindeki elektron ve iyon akışları eşit oluncaya kadar değişir. Yüksek frekanslı deşarjlarla yapılan deneylerde, toz parçacıklarının yükü negatifti ve oldukça büyüktü (10 4 - 10 5 elektron yükü düzeyinde). Yerçekimi ve elektrostatik kuvvetler arasında bir denge kurulduğundan, alt elektrotun yüzeyinin yakınında yüklü toz parçacıklarından oluşan bir bulut havada asılı kaldı. Dikey yönde birkaç santimetrelik bir bulut çapıyla, parçacık katmanlarının sayısı birkaç on ve parçacıklar arasındaki mesafe birkaç yüz mikrometreydi.

TERMAL PLAZMADA DÜZENLİ YAPILAR...

1991 yılından bu yana, Rusya Bilimler Akademisi Ekstrem Durumların Termofiziği Enstitüsü (ITES RAS) tozlu plazma üzerinde çalışıyor ve teşhisi için çeşitli yöntemler yaratıyor. Farklı türlerdeki toz plazması incelenmiştir: termal plazma, parıltılı gaz deşarjlı plazma ve yüksek frekanslı deşarjlar, fotoemisyon ve nükleer uyarılı plazma.

Bir gaz yakıcının alevinde oluşan termal plazma atmosferik basınç 1700 ila 2200 K arasında bir sıcaklığa sahiptir ve içindeki elektronların, iyonların ve nötr parçacıkların sıcaklıkları eşittir. Seryum dioksit (CeO2) parçacıklarının davranışı bu tür bir plazma akışında incelenmiştir. Bu maddenin özelliği, elektronların yüzeyinden oldukça kolay bir şekilde uçup gitmesidir - elektron iş fonksiyonu yalnızca 2,75 eV civarındadır. Bu nedenle, toz parçacıkları hem plazmadan elektron ve iyon akışıyla hem de termiyonik emisyon nedeniyle - elektronların ısıtılmış bir parçacık tarafından emisyonu - yüklenir; pozitif yük.

Makropartiküllerin uzaysal yapıları kullanılarak analiz edildi. Lazer radyasyonu korelasyon fonksiyonunu veren g(r), anlamı aşağıdaki gibidir. Parçacıklardan birinin uzaydaki konumunu sabitlerseniz, fonksiyon belli bir mesafede başka bir parçacık bulma olasılığını gösterir. R bundan. Bu da sıvı ve kristal yapıların özelliği olan kaotik veya düzenli parçacıkların mekansal düzeni hakkında bir sonuç çıkarmamızı sağlar.

Tipik korelasyon fonksiyonları g(r) oda sıcaklığında ve plazmada bir aerosol jetindeki CeO2 parçacıkları Şekil 2'de gösterilmektedir. 1. Yüksek plazma sıcaklığında (2170 K) ve düşük makropartikül konsantrasyonunda (b) korelasyon fonksiyonu oda sıcaklığında (a) geleneksel aerosol akışıyla hemen hemen aynı görünüme sahiptir. Bu, plazmadaki parçacıkların zayıf bir şekilde etkileşime girdiği ve düzenli yapıların oluşmadığı anlamına gelir. Daha düşük bir plazma sıcaklığında (1700 K) ve daha yüksek bir parçacık konsantrasyonunda, korelasyon fonksiyonu bir sıvının karakteristik formunu alır: parçacıkların düzeninde kısa aralıklı düzenin varlığını gösteren belirgin bir maksimum vardır (c) . Bu deneyde parçacıkların pozitif yükü bir elektronun yükünün yaklaşık 1000 katıydı. Yapının nispeten zayıf düzeni, plazmanın kısa ömrü (saniyenin yaklaşık 20 binde biri) ile açıklanabilir; bu süre zarfında plazma kristalinin oluşum sürecinin tamamlanması için zaman yoktur.

...VE PARLAK BOŞALTMA

İÇİNDE termal plazma tüm parçacıkların sıcaklığı aynıdır, ancak parlayan gaz deşarjının plazmasında durum farklıdır - elektronun sıcaklığı iyon sıcaklığından çok daha yüksektir. Bu, tozlu plazma - plazma kristallerinin düzenli yapılarının ortaya çıkması için ön koşulları yaratır.

için için yanan gaz deşarjı belirli koşullar altında, düzenli olarak karanlık aralıklarla değişen, eşit olmayan parlaklığa sahip sabit bölgeler olan ayakta duran katmanlar ortaya çıkar. Elektron konsantrasyonu ve elektrik alanı tabakanın uzunluğu boyunca oldukça homojen değildir. Bu nedenle, her tabakanın başında, boşaltma tüpü dikey konumdayken, pozitif boşaltma kolonu bölgesinde ince parçacıkları tutabilen bir elektrostatik tuzak oluşturulur.

Yapının oluşma süreci şu şekildedir: Bir kaptan boşaltıma dökülen mikron boyutundaki parçacıklar, plazmada şarj edilir ve sabit boşaltım parametrelerinde süresiz olarak uzun süre dayanabilen bir yapı halinde sıralanır. Lazer ışını parçacıkları yatay veya dikey bir düzlemde aydınlatır (Şekil 2). Eğitim mekânsal yapı video kamerayla kaydedildi. Bireysel parçacıklar çıplak gözle görülebilir. Deneyde çeşitli parçacık türleri kullanıldı: içi boş borosilikat cam mikroküreler ve çapı bir ila yüz mikrometre arasında olan melamin formaldehit parçacıkları.

Tabakanın merkezinde çapı birkaç on milimetreye kadar olan bir toz bulutu oluşur. Parçacıklar, altıgen yapılar oluşturan yatay katmanlarda bulunur (Şekil 3a). Katmanlar arasındaki mesafeler 250 ila 400 µm arasında değişir, parçacıklar arasındaki mesafeler ise yatay düzlem- 350 ila 600 mikron. Parçacık dağıtım fonksiyonu g(r) parçacıkların düzenlenmesinde uzun menzilli bir düzenin varlığını doğrulayan ve plazma olmasına rağmen kristal bir yapının oluşumu anlamına gelen birkaç belirgin maksimuma sahiptir. toz kristalleriçıplak gözle açıkça görülebilir.

Deşarj parametrelerini değiştirerek, parçacık bulutunun şeklini etkileyebilir ve hatta kristal durumdan sıvıya (kristalin "erimesi") ve ardından gaza geçişi gözlemleyebilirsiniz. Küresel olmayan parçacıklar (200-300 mikron uzunluğunda naylon silindirler) kullanılarak sıvı kristale benzer bir yapı elde etmek de mümkün oldu (Şekil 4).

UZAYDA TOZLU PLAZMA

Dünya'da plazma kristallerinin daha fazla incelenmesi yerçekimi nedeniyle engelleniyor. Bu nedenle uzayda mikro yerçekimi koşullarında deneylere başlanmasına karar verildi.

İlk deney, kozmonotlar A. Ya. Solovyov ve P. V. Vinogradov tarafından Ocak 1998'de Rus yörünge kompleksi "Mir" üzerinde gerçekleştirildi. Yerçekiminin etkisi altında ağırlıksız ortamda düzenli plazma tozu yapılarının oluşumunu incelemek zorundaydılar. Güneş ışığı.

Neonla doldurulmuş cam ampuller, 0,01 ve 40 Torr basınçlarda sezyumla kaplanmış küresel bronz parçacıklar içeriyordu. Ampul lombarın yakınına yerleştirildi, çalkalandı ve lazerle aydınlatılan parçacıkların hareketi bir video kamera kullanılarak kaydedildi. Gözlemler, ilk önce parçacıkların düzensiz bir şekilde hareket ettiğini ve ardından plazmanın ampulün duvarlarına yayılmasıyla ilişkili yönlendirilmiş hareketin ortaya çıktığını göstermiştir.

Bir tane daha keşfedildi ilginç gerçek: Ampulü çalkaladıktan birkaç saniye sonra parçacıklar birbirine yapışmaya ve topaklar oluşturmaya başladı. Güneş ışığının etkisi altında aglomeralar parçalandı. Topaklanma, aydınlanmanın ilk anlarında parçacıkların zıt yükler kazanması nedeniyle olabilir: pozitif - fotoelektronların emisyonu nedeniyle, negatif - diğer parçacıklardan yayılan plazma elektronlarının akışıyla yükleniyor - ve zıt yüklü parçacıklar birbirine yapışıyor birbirleriyle.

Makropartiküllerin davranışlarını analiz ederek yüklerinin büyüklüğünü (yaklaşık 1000 elektron yükü) tahmin etmek mümkündür. Çoğu durumda parçacıklar yalnızca sıvı bir yapı oluşturuyordu, ancak bazen kristaller de ortaya çıkıyordu.

1998'in başlarında, Uluslararası Uzay İstasyonunun (PC MKC) Rusya bölümünde ortak bir Rus-Alman Plazma Kristali deneyi yapılmasına karar verildi. Deney, tarafından kurulmuş ve hazırlanmıştır. Enstitü bilim adamları Max Planck Dünya Dışı Fizik Enstitüsü (Almanya) ve Roket ve Uzay Şirketi Energia'nın katılımıyla Rusya Bilimler Akademisi'nin aşırı durumlarının termofiziği.

Ekipmanın ana elemanı, iki kare çelik plaka ve kare cam parçalardan oluşan bir vakum plazma odasıdır (Şekil 5). Yüksek frekanslı bir deşarj oluşturmak için plakaların her birine disk elektrotları monte edilir. Elektrotlar, toz parçacıklarını plazmaya enjekte etmek için yerleşik cihazlara sahiptir. Parçacık bulutunu aydınlatmak için iki dijital kamera ve iki yarı iletken lazer dahil tüm optik sistem, plazma tozu yapısını taramak için hareket ettirilebilen hareketli bir plaka üzerine monte edilmiştir.

İki ekipman seti geliştirildi ve üretildi: teknolojik (eğitim olarak da bilinir) ve uçuş. Şubat 2001'de Baykonur'da yapılan test ve uçuş öncesi hazırlıkların ardından uçuş kiti, ISS'nin Rusya bölümünün servis modülüne teslim edildi.

Melamin formaldehit parçacıklarıyla ilk deney 2001 yılında gerçekleştirildi. Bilim adamlarının beklentileri haklı çıktı: ilk kez, ideal olmayan büyük bir parametreye sahip üç boyutlu düzenli, yüksek yüklü mikron boyutlu parçacıkların oluşumu keşfedildi - yüz merkezli ve vücut merkezli kafeslere sahip üç boyutlu plazma kristalleri ( Şekil 7).

Yüksek frekanslı bir indüksiyon deşarjı kullanıldığında, çeşitli konfigürasyonlarda ve uzunluklarda plazma oluşumlarını elde etme ve inceleme yeteneği artar. Homojen bir plazma ile onu çevreleyen duvar veya onu çevreleyen nötr gaz arasındaki bölgede, hem bireysel yüklü makropartiküllerin hem de bunların topluluklarının havaya kalkması (havada kalması) beklenebilir. Deşarjın bir halka elektrot tarafından uyarıldığı silindirik cam tüplerde, plazma oluşumunun üzerinde asılı kalır. Büyük sayı parçacıklar. Basınca ve güce bağlı olarak, ya kararlı kristal yapılar ya da salınımlı parçacıklara sahip yapılar ya da konvektif parçacık akışları ortaya çıkar. Düz bir elektrot kullanıldığında, parçacıklar neon dolu bir ampulün tabanının üzerinde asılı kalır ve düzenli bir yapı (bir plazma kristali) oluşturur. Şu ana kadar bu tür deneyler Dünya'daki laboratuvarlarda ve parabolik uçuş koşullarında yapılıyor ancak gelecekte bu ekipmanın ISS'ye kurulması planlanıyor.

Plazma kristallerinin benzersiz özellikleri (üretim kolaylığı, parametrelerin gözlemlenmesi ve kontrol edilmesinin yanı sıra dengeye ulaşmak için kısa dinlenme süreleri ve dış etkenlere tepki), onları hem son derece ideal olmayan plazmanın özelliklerini hem de plazmanın temel özelliklerini incelemek için mükemmel bir nesne haline getirir. kristaller. Sonuçlar, gerçek atomik veya moleküler kristalleri simüle etmek ve bunları içeren fiziksel süreçleri incelemek için kullanılabilir.

Plazmadaki makropartiküllerin yapıları - iyi bir araç ve için uygulamalı problemler mikroelektronik ile ilgili, özellikle mikro devrelerin üretimi sırasında istenmeyen toz parçacıklarının uzaklaştırılması, küçük bir kristalin (bir nanokristal, bir nanoküme) tasarımı ve sentezi ile, plazma püskürtme ile, parçacıkların boyutuna göre ayrılmasıyla, yeni yüksek verimli ışık kaynakları, elektrikli nükleer pillerin ve lazerlerin oluşturulması, içinde radyoaktif madde parçacıklarının bulunduğu çalışma sıvısı.

Son olarak, plazmada asılı parçacıkların bir alt tabaka üzerine kontrollü bir şekilde birikmesine izin verecek ve böylece gözenekli ve kompozit olanlar dahil olmak üzere özel özelliklere sahip kaplamalar oluşturmanın yanı sıra farklı özelliklere sahip malzemelerden çok katmanlı kaplamalara sahip parçacıklar oluşturacak teknolojiler oluşturmak oldukça mümkündür.

kalkmak ilginç görevler mikrobiyoloji, tıp, ekoloji. Tozlu plazmanın olası uygulamalarının listesi sürekli genişlemektedir.

Resimler için başlıklar

Hasta. 1. Korelasyon fonksiyonu g(r), bundan r kadar uzakta başka bir parçacık bulmanın hangi olasılıkla mümkün olduğunu gösterir. 300 K (a) oda sıcaklığındaki bir hava akışındaki ve 2170 K (b) sıcaklıktaki plazmadaki CeO2 parçacıkları için fonksiyon, parçacıkların kaotik bir dağılımını gösterir. 1700 K (c) sıcaklıktaki plazmada, fonksiyon maksimuma sahiptir, yani sıvıya benzer bir yapı ortaya çıkar.

Hasta. 2. DC ışıltılı deşarjda tozlu plazmanın incelenmesine yönelik kurulum, içinde bir ışıltılı deşarjın oluşturulduğu, düşük basınçta neonla doldurulmuş dikey olarak yönlendirilmiş bir tüptür. Belirli koşullar altında, eşit olmayan parlaklığa sahip deşarj - durağan bölgelerde duran tabakalar gözlenir. Toz parçacıkları, boşaltma alanının üzerinde ağ tabanlı bir tabana sahip bir kapta tutulur. Kap çalkalandığında parçacıklar aşağıya düşer ve katmanlara asılarak düzenli yapılar oluşturur. Tozu görünür hale getirmek için düz bir lazer ışınıyla aydınlatılır. Dağınık ışık bir video kamera tarafından kaydedilir. Monitör ekranında, toz parçacıklarının spektrumun yeşil bölgesindeki bir lazer ışınıyla aydınlatılmasıyla elde edilen plazma toz yapılarının video görüntüsü bulunmaktadır.

Hasta. 3. Bir ışıltılı deşarjda, kristalin (b) birkaç belirgin maksimum karakteristiği ile bir korelasyon fonksiyonu g(r)'ye karşılık gelen düzenli bir toz yapısı (a) ortaya çıkar.

Hasta. 4. Uzun toz parçacıkları (silindir şeklinde) belirli bir ortak eksene paralel olarak sıralanır. Bu duruma moleküler duruma benzetilerek plazma sıvı kristali adı verilir. sıvı kristaller Uzun moleküllerin oryantasyonunda tercih edilen bir yönün olduğu yer.

Hasta. 5. Uluslararası Uzay İstasyonundaki (ISS) toz plazmasını incelemek için vakumlu plazma odası.

Hasta. 6. Rusya Bilimler Akademisi Ekstrem Durumlarda Termofizik Enstitüsü, yüksek frekanslı düşük basınçlı deşarjda plazma kristallerini incelemek için özel bir tesis inşa etti. Kristal yapı Spektrumun yeşil ve kırmızı bölgelerindeki toz parçacıkları lazer ışınlarıyla aydınlatıldığında açıkça görülebilir.

Hasta. 7. Plazma tozu oluşumunun üç yatay katmanındaki toz parçacıklarının yapıları: gövde merkezli bir kafes (üstte), yüz merkezli bir kafes (ortada) ve altıgen sıkı bir paket (altta).

Kasım ayında ISS'deki Plazma Kristal deneyinin sonlandırılacağı duyuruldu. Deney için özel ekipman, Albert Einstein kargo gemisine yerleştirildi ve onunla birlikte Pasifik Okyanusu üzerinde yakıldı. Muhtemelen en ünlü uzay deneyinin uzun hikayesi böylece sona erdi. Bunun hakkında konuşmak ve genel olarak ISS'deki bilim hakkında biraz konuşmak istiyorum.

Keşifler nerede?

Öncelikle motivasyonunuzu biraz düşüren bir giriş yapmanız gerekiyor. Modern bilim, prensipte gereksiz araştırmaların olmadığı ve her keşfin gözle görülür bir bonus sağladığı bir bilgisayar oyunu değildir. Ve ne yazık ki, Edison gibi yalnız bir dehanın, yaşamı değiştiren pek çok cihazı tek başına icat edebildiği zamanlar geçti. Artık bilim, büyük organizasyonlar tarafından yürütülen, yıllarca süren ve sıfır sonuca yol açabilen, mevcut tüm yollar boyunca körü körüne metodik bir harekettir. Bu nedenle, popüler bilime uyarlanmadan düzenli olarak yayınlanan ISS ile ilgili araştırmalara ilişkin bilgiler açıkçası çok sıkıcı görünüyor. Aynı zamanda, bu deneylerden bazıları gerçekten ilginçtir ve bize anında harika sonuçlar vaat etmeseler bile, dünyanın nasıl işlediğine ve yeni temel ve uygulamalı keşifler için nereye gitmemiz gerektiğine dair daha iyi bir anlayışa sahip olmamız konusunda bize umut veriyorlar. .

Deney fikri

Maddenin katı, sıvı, gaz ve plazma olmak üzere dört faz halinde bulunabileceği bilinmektedir. Plazma, yıldızlardan yıldızlararası gaza kadar Evrenin kütlesinin %99,9'unu oluşturur. Dünya'da plazma yıldırım, kuzey ışıkları ve örneğin gaz deşarj lambalarıdır. Toz parçacıkları içeren plazma da çok yaygındır - bunlar gezegen halkaları, kuyruklu yıldız kuyrukları, yıldızlararası bulutlardır. Deneyin amacı yapay olarak toz mikropartikülleri içeren bir plazma oluşturmak ve bunun yer çekimi ve mikro yerçekimi koşulları altındaki davranışını gözlemlemekti.

sonuçlar

Mikro yerçekimi koşullarında yapılan deneyler bilim adamlarının umutlarını karşıladı; tozlu plazma yapı olarak kristalimsi hale geldi veya sıvıların özelliklerini sergiledi. Moleküllerin düzensiz hareket ettiği (termal harekete bakın) ideal bir gazın aksine, bir gaz olan tozlu plazma, katı ve sıvı cisimlerin özelliklerini sergiler - erime ve buharlaşma süreçleri mümkündür.
Aynı zamanda beklenmedik keşifler de oldu. Örneğin kristalde bir boşluk görünebilir. Nedeni hala bilinmiyor.