Коллектив российских ученых успешно провел 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 применен также для изучения синтеза органических веществ в космосе. Кроме того, проведенный 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 ученые 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 еще 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.
Ученые облучили три различных вида порошка. Во всех трех 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. Источник: Solar System Research
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. Источник: Solar System Research. 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, дает в наше распоряжение новый метод лабораторного моделирования сложных многофазных сред. Такие среды одновременно содержат газовую, жидкую, твердую 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.
В работе принимали участие ученые из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, МФТИ, Института космических исследований РАН, Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова, РУДН, МИРЭА и УрФУ им. Б. Н. Ельцина.
1
