Коллективные явления в сильно неидеальной трехмерной комплексной плазме в условиях микрогравитации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-12-00365

НазваниеКоллективные явления в сильно неидеальной трехмерной комплексной плазме в условиях микрогравитации

Руководитель Храпак Алексей Георгиевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-502 - Физика низкотемпературной плазмы

Ключевые слова плазменный кристалл, комплексная плазма, пылевая плазма, физика мягкой материи, микрогравитация, физика конденсированного состояния, пыле-звуковые волны, кристаллизация, фазовые переходы, исследования в условиях микрогравитации

Код ГРНТИ29.27.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является комплексное экспериментальное и теоретическое исследование широкого спектра коллективных явлений в сильно неидеальной трехмерной комплексной (пылевой) плазме в условиях микрогравитации. Комплексная плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий пылевые заряженные частицы конденсированного вещества. Ввиду значительного заряда пылевых частиц они сильно взаимодействуют друг с другом, а сама подсистема пылевых частиц становится сильно неидеальной. Подсвеченные лазером пылевые частицы легко регистрируются современными видеокамерами с высоким пространственным и временным разрешением. Исследования комплексной плазмы в условиях микрогравитации в следующем десятилетии станут ориентиром для многих междисциплинарных областей исследований. Прежде всего, такая комплексная плазма сама по себе интересна, как новое состояние мягкой материи, и демонстрирующая "супрамолекулярные" цепочечные структуры, метастабильные кристаллические домены и чувствительность своих свойств к внешним воздействиям. Вследствие сильной неидеальности по параметру кулоновского взаимодействия в комплексной плазме наблюдается большое число коллективных явлений. Одни из них, такие как фазовые переходы первого рода, приводящие к образованию жидкоподобных и кристаллоподобных структур частиц, аналогичны соответствующим явлениям в конденсированных средах. Другие, такие как неустойчивости разного рода, течения жидкоподобных структур, распространение и генерация пылезвуковых волн, процессы самоорганизации, специфичны для комплексной плазмы. Мезоскопичность частиц позволяет проводить исследования на самом фундаментальном, кинетическом, уровне и дает уникальную возможность детально исследовать наблюдаемые процессы. Низкое давление плазмообразующего газа позволяет исследовать весь спектр плазменно-пылевых волновых свойств и неустойчивостей. При экспериментальных исследованиях в лабораториях гравитация оказывает сильное деформирующее влияние на пылевую подсистему, что приводит к невозможности получать и исследовать протяженные однородные трехмерные объемы пылевой плазмы. Поэтому важное место в исследованиях свойств пылевой плазмы занимают эксперименты в условиях микрогравитации. Под руководством Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ) и Института физики материалов в космосе Германского космического агентства (DLR-MP) эти исследования в условиях микрогравитации проводились и продолжают выполняться в широкой международной кооперации. Действующая космическая лаборатория «Плазменный кристалл – 4» («ПК-4») на модуле Колумбус Международной космической станции (МКС) предоставляет возможность для исследований широкого спектра структурных, гидродинамических и кинетических свойств комплексной плазмы в положительном столбе разряда постоянного тока (ПТ) с переключающейся полярностью регулируемой скважности, в комбинированном разряде ПТ и высокочастотном (ВЧ) разряде индукционного типа. При этом ОИВТ и DLR-MP, как постановщики космического эксперимента, резервируют для себя около 50% полного экспериментального времени установки. Это дает возможность ОИВТ независимо предлагать и включать в программу исследований новые научные задачи. Помимо использования находящейся на МКС лаборатории «ПК-4», в настоящее время совместными усилиями ОИВТ и DLR-MP ведется разработка и подготовка следующей лаборатории «Экоплазма», которая также будет размещена на МКС. Лаборатория «Экоплазма» предназначена для широкого спектра исследований больших однородных трехмерных объемов комплексной плазмы в секционированном ВЧ-разряде емкостного типа при пониженном давлении плазмообразующего газа. В настоящее время в ОИВТ имеется лабораторная установка «Экоплазма-Л», а совместно с DLR-MP эксплуатируется установка «Экоплазма-ПП» в условиях кратковременной (20 секунд) микрогравитации на самолете, летающем по параболической траектории. Эти эксперименты проводятся в соответствии с соглашением между ОИВТ и DLR-MP. Первым и основным направлением исследований в данном проекте будет использование пылевой плазмы в качестве модельной системы для изучения на кинетическом уровне явлений, общих для физики конденсированного состояния. В частности, планируется исследовать транспортные свойства и сжимаемость, структурные свойства, а также пороговые коллективные эффекты в сильно неидеальных плазменно-пылевых системах. Второе направление предлагаемых исследований связано с изучением специфичных для пылевой плазмы явлений, таких как распространение пылезвуковых волн, взаимодействие микрочастиц с плазмой, ионизационные неустойчивости и др. Перечисленные выше направления исследований, которые будут осуществлены как в наземных экспериментах, так и в экспериментах в условиях микрогравитации, включают в себя перечень большого числа конкретных задач, сформулированных далее в проекте. В сочетании с теоретическими моделями и численным моделированием, они составляют взаимодополняемую и консолидируемую программу исследований. Запрашиваемая финансовая поддержка будет способствовать интенсификации ведущихся исследований и успеху международной кооперации, а также будет гарантировать адекватность и полноценность использования Международной космической станции – величайшего миролюбивого проекта человечества – в интересах фундаментальной науки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мартынова И.А., Иосилевский И.Л. Macroion effective charge in complex plasmas with regard to microion correlations Contributions to Plasma Physics, e202000142 (год публикации - 2020)
10.1002/ctpp.202000142

2. Храпак С.А., Ярошенко В. Ion drift instability in a strongly coupled collisional complex plasma Plasma Physics and Controlled Fusion, том 62, выпуск 10, страница 105006 (год публикации - 2020)
10.1088/1361-6587/aba7f8

3. Пустыльник М.Ю., Клумов Б., Рубин-Цуцик М., Липаев А.М., Носенко В., Эрдле Д., Усачев А.Д., Зобнин А.В., Молотков В.И., Джойс Г., Томас Х.М., Тома М.Х., Петров О.Ф., Фортов В.Е., Кононенко О. Three-dimensional structure of a string-fluid complex plasma Physical Review Research, том 2, выпуск 3, страница 033314 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevResearch.2.033314

4. Швабе М., Храпак С.А., Жданов С.К., Пустыльник М.Ю., Рёт К., Финк М., Кречмер М., Липаев А.М., Молотков В.И., Шмит А.С., Тома М.Х., Умачев А.Д., Зобнин А.В., Падалка Г.И., Фортов В.Е., Петров О.Ф., Томас Х.М. Slowing of acoustic waves in electrorheological and string-fluid complex plasmas New Journal of Physics, том 22, страница 083079 (год публикации - 2020)
10.1088/1367-2630/aba91b

5. Носенко В., Пустыльник М., Рубин-Цуцик М., Липаев А.М., Зобнин А.В., Усачев А.Д., Томас Н.М., Фортов В.Е., Кононенко О., Овчинин А. Shear flow in a three-dimensional complex plasma in microgravity conditions Physical Review Research, том 2, выпуск 3, страница 33404 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevResearch.2.033404

6. Гори Д., Бин Лю, Пустыльник М.Ю., Томас Х.М., Фортов В.Е., Липаев А.М., Молотков В.И., Усачев А.Д., Петров О.Ф., Тома, М.Х., Томас Е., Конопка У., Прокопьев С. Correlation and spectrum of dust acoustic waves in a radio-frequency plasma using PK-4 on the International Space Station Physics of Plasmas, том 27, стр. 123701 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0024500

7. Лиу Б., Гори Д., Шютт С., Мелцер А., Пустыльник М.Ю., Томас Х.М., Фортов В.Е., Липаев А.М., Усачев А.Д., Петров О.Ф., Зобнин А.В., Тома М.Х. Nonlinear Wave Synchronization in a Dusty Plasma under Microgravity on the International Space Station (ISS) IEEE Transactions on Plasma Science, том 49 (год публикации - 2021)
10.1109/TPS.2021.3123556

8. Митич С., Пустыльник М.Ю., Эрдле Д., Липаев А.М., Усачев А.Д., Зобнин А.В., Тома М.Х., Томас Х.М., Петров О.Ф., Фортов В.Е., Кононенко О. Long-term evolution of the three-dimensional structure of string-fluid complex plasmas in the PK-4 experiment PHYSICAL REVIEW E, т. 103, 063212 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevE.103.063212

9. Маттеус Л.С., Вермиллион К., Хартманн П., Розенберг М., Ростами С., Костадинова Е. Г., Хайд Т. У., Пустыльник М. Ю., Липаев А.М., Усачев А.Д., Зобнин А.В., Тома М.Х., Петров О., Томас Х. М., Новицкий О. В. Effect of ionization waves on dust chain formation in a DC discharge Journal of Plasma Physics (год публикации - 2021)

10. Мартынова И.А., Иосилевский И.Л. The macroion effective charge in asymmetric complex plasmas CONTRIBUTIONS TO PLASMA PHYSICS, 2021; e202100151 (год публикации - 2021)
10.1002/ctpp.202100151

11. Кнапек К.А., Конопка У., Мор Д.П., Хубер П., Липаев А.М., Томас Х.М. “Zyflex”: next generation plasma chamber for complex plasma research in space Review of Scientific Instruments, том 92, 103505 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0062165

12. Сыроватка Р.А., Липаев А.М., Наумкин В.Н., Клумов Б.А. PLASMA CRYSTAL IN (3+1) DIMENSIONS Тезисы Scientific-Coordination Workshop on Non-Ideal Plasma Physics, November 30 - December 1, 2022, Moscow, Russia, Тезисы Scientific-Coordination Workshop on Non-Ideal Plasma Physics, November 30 - December 1, 2022, Moscow, Russia (год публикации - 2022)

13. Мартынова И.А., Иосилевский И.Л. Interaction energy in the Poisson–Boltzmann plus hole approximation in asymmetric complex plasmas Contributions to Plasma Physics, Т. 62, № 9, стр. e202200110 (год публикации - 2022)
10.1002/ctpp.202200110

14. Вермиллион К., Санфорд Д., Мэтьюз Л., Хартманн П., Розенберг М., Костадинова Е, Кармона-Рейес Ж., Хайде Т, Липаев А.М., Усачёв А.Д., Зобнин А.В., Петров О.Ф., Тома М.Х., Пустыльник М.Ю., Томас Х.М., Овчинин А. Influence of temporal variations in plasma conditions on the electric potential near self-organized dust chains Physics of Plasmas, Т. 29, № 2, стр. 023701 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0075261

15. Жуховицкий Д.И. Dispersion relation for the dust ionization and dust acoustic waves in the gas discharge complex plasma Physics of Plasmas, Т. 29, № 7, стр. 073701 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0094038

16. Жуховицкий Д.И. Unified theory of the dust ionization and dust acoustic waves in the complex plasma of gas discharge 9th INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE PHYSICS OF DUSTY PLASMAS, SPACE RESEARCH INSTITUTE (IKI), MOSCOW, RUSSIA, MAY 23–27 2022, стр. 128 (год публикации - 2022)

17. Липаев А.М., Зобнин А.В., Сыроватка Р.А., Усачев А.Д., Храпак А.Г., Петров О.Ф., Тома М. New results from dusty plasma experiments at the “plasma kristall - 4” laboratory on board the international space station. Proceedings of the X International Conference «PLASMA PHYSICS AND PLASMA TECHNOLOGY» (PPPT-10): September 12-16, 2022, Minsk, Belarus / Edited by N.V. Tarasenko, A.A. Nevar, N.N. Tarasenka, M.S. Usachonak - Minsk : Kovcheg, 2022. – 520p., стр. 128 (год публикации - 2022)

18. Храпак С.А. ON THE TRANSPORT COEFFICIENTS OF SIMPLE NEUTRAL AND PLASMA-RELATED FLUIDS Тезисы Scientific-Coordination Workshop on Non-Ideal Plasma Physics, November 30 - December 1, 2022, Moscow, Russia, Тезисы Scientific-Coordination Workshop on Non-Ideal Plasma Physics, November 30 - December 1, 2022, Moscow, Russia (год публикации - 2022)

19. Шпилько Е.С., Жуховицкий Д.И. CRYSTAL-LIQUID TRANSITION IN THE ONE-COMPONENT PLASMA CLUSTERS Тезисы Scientific-Coordination Workshop on Non-Ideal Plasma Physics, November 30 - December 1, 2022, Moscow, Russia, Тезисы Scientific-Coordination Workshop on Non-Ideal Plasma Physics, November 30 - December 1, 2022, Moscow, Russia (год публикации - 2022)

Публикации