Исследование плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей в условиях микрогравитации на РС МКС



Исследование плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей
в условиях микрогравитации на РС МКС

(Плазменный кристалл), 30 исследований

Постановщик(-и):

, академик РАН, ОИВТ РАН, г. Москва


    Фазовые переходы-ПК-3; МКС 19/20 – 21/22

Область исследования Физика плазмы        

В целом эксперимент «Плазменный Кристалл» включает в себя 30 исследований.

Эксперимент выполняется в рамках международного сотрудничества с Немецким космическим агентством (ДЛР), обществом М. Планка (Институт внеземной физики, Германия) и Европейским космическим агентством (ЕКА).

Фазовые переходы-ПК-3

Целью космического исследования «Фазовые переходы-ПК-3» является исследование фазового перехода от плазменной жидкости к плазменному кристаллу в большой трёхмерной плазменно-пылевой системе.

На экспериментальной установке «ПК-3 Плюс» проведено исследование перехода жидкость-кристалл в большой 3D плазменно-пылевой системе в условиях микрогравитации. Эксперименты выполнялись в аргоне. Выполнены серии экспериментов, в которых использовались частицы двух размеров: монодисперсные частицы из двуокиси кремния диаметром 1,55 мкм и монодисперсные частицы из меламин-формальдегида диаметром 2,55 мкм.


Падалка выполняет космический эксперимент «Плазменный кристалл» (октябрь 2012)

Межчастичное расстояние Δ в зависимости от давления аргона.

Красный – структура из частиц диаметром 2,55 мкм, Синий – из частиц 1,55 мкм

Использование результатов эксперимента на Земле

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Эксперимент имеет большое значение для фундаментальной науки, поскольку в условиях микрогравитации открываются возможности обнаружения совершенно новых эффектов в плазме с заряженными твердыми макрочастицами.

Результаты

Возрастание межчастичного расстояния Δ (т. е. снижение плотности пылевой компоненты) является основным фактором, ответственным за плавление плазменно-пылевой системы при увеличении давления нейтрального газа. Аналогично, снижение давления приводит к сжатию пылевой системы и стимулирует кристаллизацию. Энергия взаимодействия как функция давления максимальна при наименьшем значении давления p ≈ 11 Па для обоих исследованных плазменно-пылевых систем. Увеличение давления нейтрального газа приводит к снижению энергии взаимодействия между пылевыми частицами, а снижение давления газа вызывает рост взаимодействия.

Анализ фазового состояния наблюдаемой в эксперименте плазменно-пылевой системы (по оценкам траекторий фаз такой системы на равновесной фазовой диаграмме) показывает, что при увеличении давления обе системы движутся в направлении кривой плавления. Плазменно-пылевая система из частиц малого размера пересекает фазовую границу при высоких давлениях.

Расчетная энергия межчастичного взаимодействия U(Δ):

Равновесная фазовая диаграмма:

Публикации

1. S. A. Khrapak, B. A. Klumov, P. Huber, V. I. Molotkov, A. M. Lipaev, V. N. Naumkin, H. M. Thomas, A. V. Ivlev, G. E. Morfill, O. F. Petrov, V. E. Fortov, Y. Malentschenko, and S. Volkov, in Dusty/Complex Plasmas: Basic and Interdisciplinary Research: Sixth International Conference on the Physics of Dusty Plasmas, edited by V. Y. Nosenko, P. K. Shukla, M. H. Thoma, and H. M. Thomas (Amer Inst Physics, Melville, 2011), Vol. 1397.

2. S. A. Khrapak, B. A. Klumov, P. Huber, V. I. Molotkov, A. M. Lipaev, V. N. Naumkin, H. M. Thomas, A. V. Ivlev, G. E. Morfill, O. F. Petrov, V. E. Fortov, Y. Malentschenko and S. Volkov, Freezing and Melting of 3D Complex Plasma Structures under Microgravity Conditions Driven by Neutral Gas Pressure Manipulation, Physical Review Letters 106 (20), 205001 (2011).

3. S. A. Khrapak, B. A. Klumov, P. Huber, V. I. Molotkov, A. M. Lipaev, V. N. Naumkin, A. V. Ivlev, H. M. Thomas, M. Schwabe, G. E. Morfill, O. F. Petrov, V. E. Fortov, Y. Malentschenko and S. Volkov, Fluid-solid phase transitions in three-dimensional complex plasmas under microgravity conditions, Physical Review E 85 (6), 066407 (2012).

4. , , Х. Томас, , Г. Морфилл, М. Швабе, Фазовые переходы в пылевой плазме в условиях микрогравитации, Всероссийская (с международным участием) конференция Физика низкотемпературной плазмы – 2011, Петрозаводск 21-27 июня 2011 г., ПетрГУ, сс. 146-151, т. 2