Актуальные проблемы исследований в области физики невесомости и перспективы российско-украинского сотрудничества О.П. Федоров Институт космических исследований НАНУ-НКАУ, Киев Международная конференция «Космические исследования в государствах-участниках СНГ» Москва, ИКИ РАН, 04 октября 2011 года

I. Содержание Мотивация Проблематика, состояние исследований Приоритетные направления; примеры экспериментов на МКС Проблемы исследований в области физики динамических систем (гидродинамика, затвердевание) Перспективные эксперименты (невесомость + физические воздействия)

II. Мотивация Подготовка новой российско- украинской программы для РС МКС Cтановление идеологии экспериментальных исследований на орбите Украинская стратегия космических исследований в контексте международного сотрудничества International Symposium in Physical Sciences in Space ISPS-4 (Bonn, 2011)

РОССИЙСКО - УКРАИНСКАЯ ПРОГРАММА: 10 ЛЕТ СТАНОВЛЕНИЯ 1998 – конкурс проектов 1999 – подготовка предложений 2000 – начало разработки экспериментальных установок – финансирование НКАУ 8 млн грн – международные гранты– $2,8 млн – Российско-украинская программа научных и технологических экспериментов на РС МКС 2006 –подготовка Соглашений по конкретным экспериментам 2010 – подготовка нового варианта Соглашения и Программы

Совместные эксперименты для РС МКС первой очереди 1. ОбстановкаРазработка и создание бортовой системы сбора данных об электромагнитной обстановке вокруг МКС ЛЦ ИКИ НАНУ-НКАУ 2. Материал - трениеИсследование характеристик трения и изнашивания материалов ИПМ НАНУ ФТИНТ НАНУ 3. ТрубкаРазработка и исследование параметров тепловых труб ИПМ НАНУ 5. Морфос-ВВыращивание кристаллов в условиях микрогравитации ИМФ НАНУ ИКИ НАНУ- НКАУ 6. Планетный мониторингМониторинг планет и Земли с борта МКС ГАО НАНУ 7. БиополимерРазработка методов получения материалов, стойких к биокоррозии ИХВС НАНУ ИУН АМНУ 8. БиосорбентСоздание и использование в условиях космоса углеродных сорбентов ИХП НАНУ 9. БиолабораторияИсследование биологических эффектов микрогравитации ИБ НАНУ

II. Проблематика и состояние исследований Microgravity sciences Physical sciences in space Индустриализация космоса создание исследовательской орбитальной лаборатории Формирование идеологии исследований на период существования МКС

КОСМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (гидродинамика, рост кристаллов, металлургия): ожидания и результаты Уникальные условия Перспектива технологического прорыва Бесконтактные условия расплавления Новые фазовые и структурные состояния материалов Отсутствие конвекции в жидкостях, газах, смесях Получение кристаллов с уникальными свойствами (чистота, распределение компонентов) Отсутствие смешивания компонентов с различной плотностью Новые композиционные материалы Превалирование поверхностных сил над объемными Уникальное формообразование и технологические применения (капиллярные насосы … )

II.Приоритетные направления исследований Europe Quiet Revolution in Microgravity ASTROBIOLOGY Man-made Meteorites PHYSICS FUNDAMENTALS Timing Gravity Moving in Flow- motion PLANT BIOLOGY MATTER MATTERS Metallurgy Vibration Plasma Crystal HUMAN HEALTH Hypertension Immunology Bone Loss

II. Приоритетные направления исследований Combustion Science Spacecraft fire safety Solids, liquids, droplets, gasses Supercritical reacting fluids Soot Fluid Physics Two-phase flow Phase separation Boiling, condensation Capillary and interfacial phenomena Materials Science Solidification Crystal growth Metals, alloys Electronic materials Glasses, ceramics Polymers Fundamental Physics Atomic Clock Low temperature physics Quantum measurement techniques Ultra-cold atom physics Test mass techniques Complex Fluids Colloids Liquid crystals Foams Dusty plasmas Granular flows

Проект ЕКА ACES – Atomic Clock Ensemble in Space Увеличение точности измерений времени до 1.10ˉ16 (1сек за 200млн.лет) ; 30 раз выше, чем в GRAVITY PROBE-A ̇ Прототип ESAs Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Атомные часы

III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Плазменный кристалл

III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Геофизические Моделирование потока жидкости (GEOFLOW)

Motivation: capillary channel flow in surface tension tanks IV. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Капиллярные течения Experimentally investigated geometries of capillary channels

III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Критические явления

Пламя свечи в условиях гравитации Земли (слева) и микрогравитации (справа) III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Горение

ACE-1 sample module 50mm (to scale) Particle Sample Well Fill Ports PACE sample holder Sample holder in LMM ISS crew installing sample module in LMM III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Коллоидный раствор

IV. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Кристаллизация Металлургия комплексных сплавов в левитаторах Структура направленно закристаллизованных материалов Роль конвективного тепло-массопереноса в формировании литой структуры Получение новых структурных состояний в сильно неравновесных условиях Морфология фронта кристаллизации

IV. Динамические процессы. Ячейки Бенара

IV. Динамические процессы. Бифуркация Результат самоорганизации – возникновение нового относительно устойчивого состояния, которое может оказаться источником нового цикла НЕУСТОЙЧИВОСТЬ САМООРГАНИЗАЦИЯ НЕОБРАТИМОСТЬ

равноосные ячейки удлиненные ячейки V. Рост кристаллов Эволюция формы фрона кристаллизации при направленном затвердевании прозрачной системы сукцинонитрил-ацетон при различных кристаллографических ориентациях выращивания.

VI. Влияние вибрации на процессы диффузии в жидкости При наложении вибраций однофазная жидкость постоянной плотности движется вместе с контейнером как твердое тело T hot T cold Появление потоков связано с вариацией плотности. Термо- вибрационная конвекция Концентрационно-вибрационная конвекция ω Parabolic flights single fluidISS experiment binary mixtures T hot T cold ω C

VII. Влияние вибрации на диффузию в жидкости Эволюция профиля температуры после наложения вибрации (Shevtsova et.al,2011) Numerics, front view t=1 min after imposing vibrations Modified Nu number describes intensity of convection ISS, side view ISS, front view

Общий вид рабочего блока установки для кристаллизации объемных образцов Макет установки для кристаллизации объемных образцов Ячеистая структура для монокристаллов сукцинонитрила и пивалевой кислоты для разных кристаллографических ориентаций a – сукцинонитрил, b – сукцинонитрил, c – пивалиевая кислота, d – пивалиевая кислота, V. Рост кристаллов c наложением вибрационного воздействия

Спасибо за внимание!