Уникальная среда микрогравитации позволяет физикам изучать, как эти кристаллы образуются внутри пылевой плазмы — типа материи с уникальными свойствами, обнаруживаемыми повсюду — способами, невозможными на Земле.
Плазма — одно из четырех состояний материи, наряду с жидкостью, твердым телом и газом. Сложная или «пыльная» плазма получила свое название от присутствия мелких твердых частиц, смешанных с заряженными газами плазмы.
Эти частицы могут кардинально изменить поведение плазмы, а иногда частицы даже образуют кристаллические структуры. Пыльная плазма обнаруживается возле искусственных спутников, встречается в верхних слоях атмосферы Земли, в межзвездных облаках и может быть произведена в лабораторных условиях.
Исследователи-физики отдают предпочтение пыльной плазме, потому что ею относительно легко управлять и она обеспечивает уникальный взгляд на физику на уровне отдельных частиц. Эта форма материи может пролить свет на основную кинетическую теорию, включая то, как смешиваются коллоиды, как движутся жидкости и твердые тела и как распространяются волны.
Но во многих случаях их трудно изучать в чистом виде, потому что гравитация Земли влияет на то, как оседают частицы пыли и как они кристаллизуются. Однако на борту космической станции это не так.
Исследование PK-3 Plus было разработано для создания пылевой плазмы, содержащей аргон или неон, а также мелкие частицы микронного размера. Устройство радиочастотного разряда ионизирует молекулы газа, так что они образуют плазму, и частицы впрыскиваются в нее.
Их зажигает лазер, а камера записывает, что происходит, когда частицы движутся через плазму и организуются в кристаллические структуры. Базовые эксперименты предназначены для проверки широкого диапазона размеров частиц и различных типов газов, и исследователи обнаружили множество интересных новых явлений.
Как выяснили исследователи в ходе множества других исследований на космической станции, включая изучение физики пылевой плазмы, точный переход от фундаментальных исследований к приложениям на Земле непредсказуем и часто работает неожиданным образом.
Это показывает важность финансирования фундаментальных исследований без наложения ориентированных на приложения ограничений.
По словам профессора, результаты PK-3 Plus в конечном итоге могут быть использованы в сельском хозяйстве, медицине и гигиене. Грегор Э. Морфилл, директор Института внеземной физики Макса Планка в Гархинге, Германия, где был построен экспериментальный аппарат. Поскольку это газообразное состояние, плазма может быстро и эффективно дезинфицировать поверхности, даже нейтрализуя устойчивые к лекарствам бактерии, такие как MRSA, за секунды.
В клинических испытаниях (более 3500 применений) было продемонстрировано, что плазма помогает дезинфицировать хронические раны и ускоряет их заживление. Другие исследования показали, что в сочетании с химиотерапией он эффективно борется с раком, увеличивая инактивацию раковых клеток до 500 процентов по сравнению с одной химиотерапией. Плазма может даже ускорить рост растений.
"В моем случае технические проблемы космических исследований были первыми и предоставили ноу-хау для дополнительных медицинских исследований. Другими словами, без исследований [космической станции] с моей стороны не было бы никакого участия в плазменной медицине », — сказал Морфилл.
Исследование имеет преимущества и для фундаментальной науки. В одном примере исследователи использовали камеру высокого разрешения PK-3 Plus, чтобы изучить точную точку, в которой вещество меняет свою фазу с жидкой на твердую. В других экспериментах было проверено, как радиоволны вызывают движение частиц в пылевой плазме.
Ученые видели частицы в верхней части плазмы, вращающиеся по часовой стрелке, а частицы в нижней части плазмы вращались против часовой стрелки.
Еще одно исследование измеряло скорость звука через пыльную плазму и показало, что она составляет около 28 миллиметров в секунду, что намного медленнее, чем скорость звука в воздухе (около 340 метров в секунду). Измерение скорости звука в любой среде, такой как вода, воздух или сложная плазма, помогает ученым лучше понять природу среды.
Скорость звука в результате получилась случайно, по словам доктора.
Хубертус Томас, ученый из Института внеземной физики Макса Планка и главный исследователь PK-3 Plus.
"Одна большая частица была ускорена (и мы не знаем, как!) в огромное облако «мелких» частиц, которые двигались сквозь облако как снаряд и образовывали за частицей конус Маха », — сказал Томас. «Конусы Маха наблюдались уже в условиях гравитации в двумерных плазменных кристаллах, но это было первое наблюдение в трехмерной структуре и в условиях микрогравитации. К счастью, частица замедлялась на своем пути, что позволило нам вычислить скорость звука в нашей сложной плазме."
Космонавты и космонавты управляли аппаратурой ПК-3 Плюс в течение 20 отдельных миссий, каждая продолжительностью около пяти дней.
Ученые на земле получили результаты тестовых запусков практически в реальном времени, а видео транслировалось со станции во время экспериментальных запусков. Лаборатория также содержала четыре жестких диска для хранения видео, которые меняли местами при заполнении и возвращали на Землю с ротацией экипажа станции. Аппаратура ПК-3 Плюс разработана немецкими исследователями и доставлена на борт российского грузового корабля "Прогресс".
В общей сложности соавторы исследования ПК-3 Плюс и его предшественника ПКЕ-Нефедова, названного в честь скончавшегося ведущего российского ученого проекта, опубликовали более 70 научных работ и сделали не менее 100 презентаций на научных конференциях.
«Теперь, когда у нас более семи лет [исследований], я считаю, что пришло время начать новую эру комплексных исследований плазмы с нашей следующей лабораторией, PK-4, запуск которой запланирован на октябрь следующего года», — Томас сказал. «Ресурсы (микрочастицы и газ) истощаются, плазменная камера становится все более и более грязной, а компьютерное оборудование и программное обеспечение создают некоторые проблемы, которые мы пока можем решить. Лаборатория просто деградирует, поэтому мы должны позволить ему / ей уйти на пенсию."
Помимо освещения природы материи, пыльная плазма находит практическое применение в космосе, на Земле и даже на других планетах.
Например, при плазменной обработке удаление микроскопических частиц, выросших в плазме реактивной обработки, имеет решающее значение для предотвращения загрязнения компьютерных микросхем. Глубокое понимание взаимодействия газов и пылевой плазмы имеет решающее значение для совершенствования плазменных технологий.
Понимание этого взаимодействия также может помочь ученым создавать порошки, содержащие определенные ингредиенты.
«Новые горизонты открываются благодаря исследованиям [плазменной медицины] практически ежемесячно», — сказал Морфилл. «На этой ранней стадии трудно сказать, какое именно из месторождений будет коммерциализировано в первую очередь. Все приложения (и новые, еще не обнаруженные) обладают огромным потенциалом и затрагивают основные мировые проблемы."