Коллектив российских учёных из Института
общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Института металлургии и материаловедения
им. А.А. Байкова РАН, Института космических исследований РАН, МФТИ, РУДН, УрФУ
и МИРЭА успешно провёл эксперимент, демонстрирующий важность плазмохимических
процессов при возникновении плазменно-пылевых космических облаков и позволивший
создать такие облака в земных условиях.
Работа опубликована в Solar System Research.
В эксперименте плазменно-пылевые облака были созданы
с помощью СВЧ-разряда, инициировавшего необходимые процессы в смесях порошков.
Этот опыт оказался удобным инструментом для дальнейшего исследования в
лаборатории на Земле процессов, протекающих в сходных космических средах, и их
последствий. Например, можно исследовать влияние таких облаков на различные
материалы модулей космических аппаратов, а также изучать предбиологический
синтез органических молекул в условиях плазменно-пылевой среды, когда
источником «пыли» является вещество, характерное для тел Солнечной системы.
Использованный в работе метод может быть применён
также для изучения синтеза органических веществ в космосе. Кроме того,
проведённый эксперимент открывает новые возможности изучения процессов синтеза
органических соединений в условиях ранней Земли и при прохождении метеоритов
через атмосферу.
Исследованием процессов формирования вещества в
космосе учёные занимаются давно. Знания в этой области не только помогают
человечеству в развитии химической промышленности, но и позволяют продвинуться
в изучении прошлого. Благодаря этим исследованиям ученые могут датировать
объекты древности, реконструировать процессы формирования как небесных тел, так
и геологических объектов. Эксперимент по синтезу вещества плазменно-пылевых
облаков является ещё одним шагом к разгадке тайны происхождения жизни на нашей
планете.
К настоящему времени в лабораторных исследованиях
широко используются как вещества, моделирующие космическую пыль, так и
собственный материал космических тел. Ученые из Института общей физики им. А.
М. Прохорова РАН и МФТИ с коллегами пустили СВЧ-разряд через порошок,
содержащий материал, взятый из метеорита Царев, ильменитовый концентрат, и
через имитацию лунного грунта LMS-1D, которую создали из земных материалов.
Электромагнитный импульс с частотой 75 ГГц был пущен
через систему фокусирующих зеркал и сфокусирован на пятно диаметром 5–6 см,
состоящее из исследуемого порошка. Несмотря на гораздо меньшую плотность
энергии, чем в лазерных экспериментах, где лазер сфокусирован в диаметре 1–2
мм, все равно удалось инициировать процесс пробоя порошковой среды с
образованием плазменно-пылевых облаков, поднимающихся в реакторе до высоты 50
см.
Исследователи облучили три различных вида порошка.
Во всех трёх случаях они наблюдали сначала формирование и расширение
плазменного образования, затем — стадию активного излучения из образованного
горячего пылевого облака и в конце — постепенное охлаждение. Максимальная
температура достигала нескольких тысяч градусов. Кроме того, произошло
изменение и морфологии частиц порошка: частицы стали крупнее и приобрели
округлую форму.
Общая схема эксперимента с обозначениями. 1 —
гиротрон, 2 — фокусирующее зеркало, 3 — плоское зеркало, 4 — высокоскоростная
камера, 5 — квазиоптический СВЧ-ответвитель, (6–8) — детекторы падающего,
отраженного и прошедшего излучения, 9 — плазмохимический реактор, 10 — концевые
линзы спектрометров
Порошки в результате опыта сильно изменились даже
внешне — они стали темнее, их частицы на вид сделались куда более
оформленными, с резкими границами.
Исследуемые образцы, цветное фото. a — ильменитовый
концентрат до воздействия разряда; b — имитатор лунной пыли LMS-1D с
добавлением порошка металлического магния перед воздействием разряда; c —
вещество Царевского метеорита до удара разряда; d — ильменитовый концентрат
после воздействия разряда; e — имитатор лунной пыли LMS-1D с добавлением
порошка металлического магния после воздействия разряда; f —вещество Царевского
метеорита
«Успех в получении плазменно-пылевых
облаков из вещества, характерного для космической пыли, даёт в наше
распоряжение новый метод лабораторного моделирования сложных многофазных сред.
Такие среды одновременно содержат газовую, жидкую, твёрдую фазу и плазму и
являются местом протекания неравновесных плазмохимических реакций с участием
заряженных частиц и поверхностей пылинок. В настоящее время предполагается, что
такая многофазная среда приводит к образованию простейших органических
соединений даже в условиях протопланетных дисков и пылевой плазмы комет
Солнечной системы. В том числе для изучения предбиологического синтеза
органических соединений мы и планируем использовать наш экспериментальный
подход к созданию плазменно-пылевых облаков. Но есть и ряд других задач, в
которых такие облака из вещества аналогичного космической пыли будут
необходимы, например для испытания стойкости солнечных панелей космических
аппаратов к такому воздействию и потери ими эффективности вследствие адгезии
космической пыли», — объясняет Нина Скворцова,
доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник отдела физики
плазмы ИОФ РАН.
Для дальнейших исследований, как отмечают авторы
статьи, следует использовать условия глубокого вакуума и производить синтез
органических веществ, используя частицы пыли в плазме в качестве твердых
центров кристаллизации и катализаторов. Это позволит понять, как образуются
органические вещества на пролетающих через атмосферу метеоритах, во время
вспышек протозвезд, на протопланетных дисках, а также в многофазной космической
плазменно-пылевой среде.
Текст: Игорь Воронцов.
Источник: «За науку».