Почти все вещество во Вселенной — 99,9% — находится в состоянии плазмы: звезды и их атмосферы, туманности и межзвездный газ. В повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются вспышками молний и неоновыми вывесками. Кому посчастливилось, видели ее в свечении северного сияния и ракетных факелов.
Что же такое плазма? По словам молодого ученого Александры Карташевой, ей по душе определение от Френсиса Чана, специалиста по физике высокотемпературной плазмы:
«Плазма — квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, который проявляет коллективные свойства. Коллективные свойства означают, что движение частиц определяется не только локальными условиями, но и состоянием в удаленных областях. По-видимому, сам термин «плазма» был выбран по ошибке. Это название переводится с греческого как нечто сформированное или вылепленное. Однако плазма, напротив, из-за коллективного поведения составляющих ее частиц не стремится подчиниться внешним воздействиям, скорее наоборот, во многих случаях как будто сама наделена разумом».
Александра Карташева — старший научный сотрудник отдела магнитных систем АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». Мы расспросили ее о том, как работать с материалом, который будто бы «наделен разумом».
В каких технологиях сегодня применяется плазма?
В приборах для плазменной резки, сварки, напыления, а также сжигания мусора и особо опасных отходов. Она широко применяется и в медицине: для стерилизации имплантатов и хирургических инструментов, изменения свойств поверхности биоматериалов. И без изучения физики плазмы невозможно добиться управляемого термоядерного синтеза.
Чем вы занимаетесь в лаборатории?
Я присоединилась к команде молодых ученых ТРИНИТИ в 2020 году, потому что захотела принять участие в масштабном проекте по созданию прототипов плазменных ракетных двигателей. Мой научный интерес привлекли уникальные установки для ускорения потоков плазмы, на базе которых планируется создание такого двигателя.
В таких проектах одной из основополагающих задач становится разработка комплекса диагностики плазмы, который мог бы в реальном времени количественно описывать состояние системы. По таким данным можно потом влиять на выходные параметры. В случае двигателя, например, увеличить тягу и импульс.
В чем сложность этой задачи?
Основные методы измерения концентрации и температуры плазмы известны достаточно давно. Однако конкретные задачи накладывают ряд ограничений. Например, как измерять тягу двигателя в течении одной миллисекунды? Тут необходимо создать диагностику, которая станет частью прототипа.
В научной фантастике понятие «плазма» чаще всего используется в контексте «плазменного пистолета» или чего-то подобного, «плюющегося» бесконечными зарядами. Насколько это реалистично?
У лабораторной плазмы очень высокая температура — от тысяч до миллионов тысяч Кельвинов. Такой энергии достаточно для разрушения большинства материалов. Стальную мишень сильно ионизированный сверхзвуковой плазменный поток расплавит за 500 микросекунд.
«Плевание» сгустками возможно, однако система энергопитания таких комплексов далека от карманных размеров. Но, думаю, задача реализуема: если не сейчас, то в недалеком будущем. Однако понятие «бесконечный заряд», конечно, вызывает вопросы.
Что дает для современной ядерной физике изучение плазмы?
На мой взгляд, самыми актуальными являются исследования взаимодействия плазменных потоков с материалами. Для успешного использования как ядерной энергетики, так и гибридной, нужны материалы, обеспечивающие заданные условия эксплуатации электростанцией того или иного типа. Обработка материалов плазменными потоками позволяет улучшить их свойства или выявить новые.
Другое прикладное значение — автоматизация научных и технологических процессов. Исследования на установках, например, генерирующих сверхзвуковые плазменные потоки, способствуют развитию автоматизации управления такими машинами и обработки экспериментальных данных. Такой опыт потом можно внедрять на энергетических установках других типов.
Как проходит рабочий день в лаборатории?
Если смотреть со стороны, то рабочий день в любой лаборатории может показаться заурядным и обыденным: эксперимент, обработка данных, отчет… Видя озабоченные лица ученых, встает вопрос, что скрывается за каждым пуском установки? Ответ многогранен: красота излучения плазмы и сложность количественной оценки этой красоты, стремление первым в мире найти ответ на вопрос и описать состояние вещества, «наделенного разумом». Это бесконечная радость познания. Я мечтала об этом с самого детства!
Разработка комплекса диагностики — нетривиальная и масштабная задача. Реализация такого амбициозного проекта требует знаний, умений и компетенций в области физики плазмы. Однако это необходимое, но недостаточное условие. Залог успеха — слаженная работа команды единомышленников. Так сложилось, что у нас все участники и выпускники программы научных стажировок «Лаборатория Роста». Мы учимся у опытных ученых и передаем знания начинающим специалистам. На мой взгляд, это большое преимущество.
Когда вы увлеклись наукой?
Во всем виноваты звезды. В детстве, когда я рассматривала звёздное небо, меня всегда мучали вопросы: каковы границы Вселенной? Сколько всего звезд? Почему у них разная интенсивность излучения? Так я заинтересовалась физикой. Чем больше я узнавала, тем больше появлялось вопросов. Надо полагать, эта бесконечная радость познания и определила мою судьбу.
Почему решили заниматься плазмой?
В 2013 году я получила степень магистра физики по специальности квантовая радиофизика. Выпускникам физфака говорят: «Физик может все. Дерзайте, и вы добьетесь успеха на любом поприще». С таким козырем я взяла свободный год на принятие осознанного решения, а тем временем устроилась в конструкторское бюро инженером. Так я оставалась связанной с научной средой и пробовала силы в смежных специальностях.
Вскоре появилось желание продолжить академическое образование, и я стала изучать современные исследования, посвященные, в частности, применению лазеров для диагностики плазмы. Наверное, именно тогда и поняла, что хочу изучать загадочную и красивую область науки, физику плазмы. К сожалению, в Ростове-на-Дону не было таких лабораторий. Поиски привели меня в аспирантуру на кафедру оптики Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ). Защита кандидатской по специальности физика плазмы позволяет мне сейчас проводить исследования на уникальных установках АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ».
О том, куда пойти стажироваться, чтобы познать красоту плазмы, мы спросили у Веры Абелинскайте, руководителя направления проектного офиса по развитию кадрового научного потенциала в частном учреждении «Наука и инновации» при Госкорпорации «Росатом»:
В научных институтах Росатома ведётся множество масштабных и интересных проектов в области управляемого термоядерного синтеза и плазменных технологий. Один из таких институтов — АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ».
ТРИНИТИ – один из флагманов Программы научных стажировок Росатома для студентов. Вместе с другими молодыми и опытными учёными ребята создают новые исследовательские установки и программное обеспечение, проводят эксперименты и совершают настоящие научные открытия на грани фантастики. Они не только коллеги, но научные единомышленники и настоящие друзья.
Работа на оплачиваемой стажировке занимает 1-3 дня в неделю, после успешного завершения стажера рекомендуют к трудоустройству. Чаще всего стажерами ТРИНИТИ становятся студенты НИУ МЭИ, НИЯУ МИФИ, МФТИ, МГТУ им. Баумана, но подать заявку и пройти отбор на стажировку Росатома — решить кейс, рассказать о научном опыте и пройти собеседование с научным руководителем, — может студент любого вуза, который учится по профильной для исследований института специальности.
Заявку на стажировку можно подать на сайте: https://intern.niirosatom.ru
