Плазма— это раскаленный газ, в котором от атомов оторваны электроны, смесь положительно заряженных ионов с отрицательными электронами. Такие частицы ведут себя совсем не так, как «цельные» атомы, поскольку заряженные объекты отклоняются магнитным полем, а их упорядоченное движение создает электрический ток, который сам становится источником магнитного поля.
Как выглядит изнутри термоядерный реактор, температура плазмы в котором достигает сотни миллионов градусов? Камера внутри установки Tore Supra Tokamak позволяет заглянуть внутрь непосредственно в процессе работы.
Источник: stevebd1
Именно магнитные свойства плазмы играют ключевую роль в самых разных по масштабу процессах: от движения межзвездного газа до термоядерных реакций внутри экспериментальных установок.
Ионные двигатели, которые на рубеже XX-XXI веков стали из фантастики вполне реальными устройствами для космических аппаратов, тоже невозможно сконструировать без фундаментальных представлений о плазме. Также плазму можно обнаружить в верхних слоях атмосферы, где ее слой отражает радиоволны и участвует в возникновении полярных сияний.
- ITER
-
Самый известный, но далеко не единственный экспериментальный термоядерный реактор— Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER, строительство которого начинается во Франции и про который уже известно, что к первоначально запланированному сроку построить его не получится.
Термоядерные реакторы, способные, теоретически, избавить мировую энергетику как от сжигания нефти, так и от опасных радиоактивных отходов; понимание процессов внутри звезд и природы магнитных бурь; конструирование двигателей для космических аппаратов— таков перечень применений физики плазмы, области, в которой работали опубликовавшие статью в журнале Physical Review Letter ученые из Бельгии и США.
Ионный двигатель на марсианском корабле - пока фантастика, хотя меньшего масштаба ионные ускорители успешно вернули к Земле японский аппарат "Хаябуса" с пробой грунта астероида Итокава. Подобный показанному на картинке двигатель, кстати, в ближайшие годы планируют поставить на МКС для коррекции орбиты.
Источник:
Исследователи проанализировали движение плазмы в объеме, изучив поведение плазменных шнуров при различных значениях напряженности магнитного поля и концентрации частиц. Эта работа привела к неожиданному выводу: при определенных условиях шнуры не сливаются вместе (чего следовало бы ожидать), а начинают «прыгать» и закручиваться вокруг друг друга.
Такое поведение физики не только предсказали теоретически, но и пронаблюдали внутри реальной установки, сконструированной специально для исследования плазменных шнуров.
Экспериментальные данные подтвердили верность расчетов, которые, как утверждают их авторы, можно применить, в первую очередь, для описания солнечных протуберанцев. Более точные модели протуберанцев интересны потому, что описывают одно из наиболее эффектных явлений в солнечной системе— с солнечными вспышками напрямую связаны и магнитные бури.
Нелинейная динамика
Может показаться, что плазма— очень простой объект, поскольку составлен всего из двух типов частиц, между которыми расстояние достаточно велико. Однако простота эта кажущаяся.
Описание поведения плазмы до сих пор, несмотря на десятилетия напряженной работы физиков по всему миру, остается сложной задачей из-за того, что плазма сама меняет магнитное поле, которое, в свою очередь, оказывает влияние на плазму— а эти изменения приводят в итоге к тому, что вместо первоначальной картины наблюдается что-то совершенно иное.
Источник: NASA
Эта взаимосвязь плазмы и магнитного поля может быть интересна не только тем, что позволяет предсказать поведение протуберанцев или термоядерных реакторов.
Очень многие задачи современной физики и математики сводятся к подобным взаимосвязям; от поведения звездных систем до анализа колебаний на финансовом рынке или процесса развития заболевания. Заранее, конечно, предсказать полезность конкретного результата американо-бельгийской группы сложно, но всегда стоит помнить о том, что многие математические модели оказывались куда более универсальны, чем представлялось в момент их получения.
- От коллайдера к карандашам
-
Пример красивого и неожиданного применения математических методов— движение электронов в графене можно описать уравнениями, изначально выведенными для описания частиц в ускорителях, подобным Большому адронному коллайдеру (LHC). О свойствах графена в начале ноября читал в подмосковном Физтехе лекцию сам первооткрыватель этого вещества Константин Новоселов— с подробностями можно ознакомиться "(external-link) в отдельном материале":http://www.gzt.ru/topnews/science/-nobelevskii-laureat-predlozhil-v-moskve-novyi-/332394.html.
Магнитное поле + поток = ?
Магнитогидродинамика (раздел физики, изучающий движение плазмы) помогает в разработке магнитогидродинамических двигателей для кораблей и подводных лодок— абсолютно бесшумных и без единой движущейся части.
Источник: Mugu-shisai
С помощью знаний о поведении плазмы можно радикально усовершенствовать и обычную ТЭЦ— ведь пламя в ее котлах— это тоже плазма! Направив его между обмотками специального устройства, можно добиться того, что электроэнергия будет вырабатываться без всяких турбин и генераторов, причем это уже не смелая идея, а вполне реализованная в экспериментальной установке концепция.
Генератор У-25, использующий магнитогидродинамические эффекты (МГД-генератор) был построен еще в 1970-х годах, и широкому распространению подобных конструкций помешала только нехватка соответствующих материалов, способных выдерживать воздействие плазмы.
Источник: http://engine.avias.com/issues/42/page28.html
Развитие науки о плазме может привести в итоге к не менее радикальным преобразованиям в мире, чем создание новых материалов или развитие методов анализа ДНК— хотя о ней широкой публике зачастую известно не так уж и много.