Project (Distributed computer system of “OBSTANOVKA”)

Исследование плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей
в условиях микрогравитации на РС МКС
(Плазменный кристалл), 30 исследований
Постановщик(-и):
В.Е. Фортов, академик РАН, ОИВТ РАН, г. Москва

Фазовые переходы-ПК-1; МКС 14 - 16
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-1
Целью космического исследования «Фазовые переходы-ПК-1» является исследование
структурного фазового перехода в пылевой плазме при воздействии внешнего
переменного электрического поля.
Выполнено исследование нового состояния пылевой плазмы – электрореологической
плазмы, когда происходит переход от изотропной плазменно-пылевой жидкости к
анизотропному состоянию.
«Обычные» ЭР жидкости состоят из суспензий микрочастиц, погруженных в (обычно)
непроводящие жидкости, обладающие различными диэлектрическими постоянными.
Межчастичное взаимодействие, и, следовательно, реология ЭР жидкостей определяется
внешним электрическим полем, которое поляризует микросферы и этим создает
дополнительное диполь-дипольное взаимодействие. Электрическое поле играет роль
новой степени свободы, которая позволяет нам «настраивать» взаимодействие между
частицами. Это вносит большое разнообразие в фазовую диаграмму ЭР жидкостей.
Использование результатов эксперимента на Земле
Эксперимент имеет большое значение для фундаментальной науки, поскольку в условиях
микрогравитации открываются возможности обнаружения совершенно новых эффектов в
плазме с заряженными твердыми макрочастицами.
Результаты
Впервые с помощью установки ПК-3 Плюс получена электрореологическая (ЭР) плазма.
Фазовый переход «изотропная среда – цепочечная структура» в ЭР плазме исследовался в
экспериментах в условиях микрогравитации. Частицы оставались в разупорядоченной
жидкой фазе пока амплитуда приложенного переменного поля была ниже
определенного порога. Дальнейшее увеличение поля приводило к реорганизации частиц.
Они становились более и более упорядоченными, пока вдоль поля постепенно не
сформировались хорошо определимые цепочки. Переход между изотропным и
1
цепочечным жидким состояниями был полностью обратимым – уменьшение поля
возвращало частицы обратно в изотропное состояние.
Потенциал пылевой частицы в плазме. В случае отсутствия внешнего электрического поля (а) облако
ионов вокруг частицы имеет сферическую форму. При наложении внешнего постоянного электрического
поля (б) облако ионов становиться ассиметричным. При наложении внешнего низкочастотного поля (в)
с частотой много меньшей ионной плазменной частоты, и в тоже время, много большей пылевой
плазменной частоты, ионы реагируют на поле мгновенно, а микрочастицы не реагируют.
Видеоизображения, полученные камерой большого увеличения в эксперименте по структурному
фазовому переходу. Давление аргона 10 Па, частицы диаметром 6.8 мкм, частота внешнего поля 100 Гц.
U – двойная амплитуда внешнего напряжения. При U= 31 В наблюдается изотропная плазменно-пылевая
жидкость. При U= 56,8 В наблюдается анизотропная плазменно-пылевая среда с цепочечными
структурами.
Публикации
1. A.V. Ivlev, G.E. Morfill, H.M. Thomas, C. Rath, G. Joyce, P. Huber, R. Kompaneets, V.E. Fortov,
A.M. Lipaev, V.I. Molotkov, T. Reiter, M. Turin and P. Vinogradov, First observation of
electrorheological plasmas, Physical Review Letters 100 (9), 095003 (2008).
2. A.V. Ivlev, P.C. Brandt, G.E. Morfill, C. Rath, H.M. Thomas, G. Joyce, V.E. Fortov, A.M. Lipaev,
V.I. Molotkov and O.F. Petrov, Electrorheological Complex Plasmas, Ieee Transactions on
Plasma Science 38 (4), 733-740 (2010).
3. V.E. Fortov, O. Havnes, M. Horanyi, A.V. Ivlev, A.G. Khrapak, S.A. Khrapak, B.A. Klumov, V.I.
Molotkov, G.E. Morfill, O.F. Petrov, H.M. Thomas, O.S. Vaulina, S.V. Vladimirov, Complex and
Dusty Plasmas: from laboratory to space, Ed. Fortov V.E., Morfill G., Taylor and Francis Group,
LLC, 2010
2