Плазменный кристалл. Космические эксперименты

МОСКВА 
ФИЗМАТЛИТ ®

2015

УДК 52
ББК 22.66
П 37

Издание осуществлено при поддержке
Российского фонда фундаментальных
исследований по проекту 14-02-07014,
не подлежит продаже

А в т о р с к и й к о л л е к т и в :
Ф о р т о в В. Е., Б а т у р и н Ю. М., Мо р ф и л л Г. О., П е т р о в О. Ф.

Плазменный
кристалл.
Космические
эксперименты. —
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. — 272 с. — ISBN 978-5-9221-1651-0.

Описываются проведенные в период 2001–2014 гг. с участием российских
и немецких ученых и космонавтов исследования плазменных кристаллов на
Международной космической станции. В ходе экспериментов обнаружен ряд
новых эффектов и явлений, не наблюдаемых в условиях земной гравитации
и расширяющих наши представления о структуре и динамике материи.
Для специалистов по физике пылевой плазмы, а также всех, кого интересуют вопросы постановки современного космического эксперимента, организации
и практики космических исследований.

ISBN 978-5-9221-1651-0

c⃝ Коллектив авторов, 2015

c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2015

Посвящается памяти трех замечательных людей, без которых
эксперимент «Плазменный кристалл» не стал бы столь увлекательным и успешным: Криса Гёртца, трагически погибшего 1 ноября 1991 г., Анатолия Нефедова, скоропостижно скончавшегося
19 февраля 2001 г. и Райнера Клетта, ушедшего из жизни после
продолжительной болезни 14 февраля 2006 г.

Кристоф К. Гёртц
Анатолий Нефедов

Райнер Клетт

От авторов

Как рождаются идеи экспериментов, переворачивающих наши представления о мире? Почему их оказывается возможным провести в трудные времена, когда все рушится? Как складываются долговечные
и успешные команды, которым многое удается? Подобные вопросы не
имеют однозначных ответов. Можно предположить, что в нарастающем
хаосе, в соответствии с принципами синергетики, возникает странный
аттрактор, вокруг которого и начинает складываться упорядоченная
структура: коллектив, объединенный научным интересом к какому-то
любопытному феномену. В такой коллектив скорее всего попадут люди,
понимающие или чувствующие, что в турбулентной хаотической обстановке от них зависит много больше, чем в устоявшемся порядке хорошо
планируемых и достаточно финансируемых исследовательских работ.
И они обязательно найдут друг друга и поставят свой эксперимент,
и не захотят расходиться. И через несколько лет с удивлением обнаружат, что хотя теперь-то деньги появились и организации-заказчики
стали выглядеть более чем солидно, но препятствий становится много
больше, ситуацию определяют люди, далекие от их исследований,
да и вообще, пока изучали свой природный феномен, мир вокруг
изменился почти до неузнаваемости.
Тогда остается оглянуться назад и поблагодарить судьбу, которая
подарила счастье безоглядного погружения в научное исследование на
полтора десятилетия, приятность знакомства с удивительными людьми,
возможность не расставаться надолго, вместе работать и радоваться
регулярным встречам, на которых становится очевидным, что общение
не менее интересно, чем общая работа.
Очень странный аттрактор, объединивший физиков из Москвы
и Мюнхена, космонавтов из Звездного городка в России и инженеров,
создающих космические корабли и управляющих ими с Земли!
Наша книга — рассказ о впечатляющем и успешном космическом
эксперименте, о его подготовке и технике проведения, о научно-исследовательской лаборатории на Международной космической станции
(МКС), о непростых условиях проведения эксперимента в космосе.
Условия эксперимента на борту космической станции существенно
отличаются от земных. Они складываются из условий космического
пространства, условий космического полета и лабораторных условий
на борту.
Условия космического пространства описываются через параметры
космической погоды (солнечный ветер, солнечные энергичные частицы,
галактическое космическое излучение, рентгеновское и ультрафиоле

От авторов
5

товое излучения и т. д.), параметры состояния магнитосферы и ионосферы, характеристики вспышек на Солнце, магнитных и ионосферных
бурь и т. п.
Условия космического полета складываются из параметров орбиты
(высоты, периода обращения, продолжительности световой и теневой
частей витка), точности ориентации и стабилизации пилотируемого космического аппарата (ПКА), точности знания положения ПКА
во время сеанса космического эксперимента и т. д.
Лабораторные условия на борту — температура, влажность, состав
газовой среды, электромагнитное излучение и т. п., а также наличие
определенных ресурсов — запаса энергии, возможности радиосвязи
между бортом и наземными пунктами, начиная с Центра управления
полетами (ЦУП), для консультации и передачи информации на Землю, временные характеристики проведения сеансов космической связи
и др.
Все условия должны быть учтены экспериментаторами.

Наша книга — дотошное описание не просто того, как ставят эксперимент в космосе, но и вообще, как ученые делают науку. В данном
случае участниками эксперимента были и люди не совсем обыкновенные — космонавты, выполняющие свою работу в необычных условиях.
Они живут и работают в невесомости, в безопорном пространстве. Для
того чтобы собрать экспериментальную установку, им приходится проделывать больше операций, чем на Земле, и добиваться необычайной
ловкости движений.
Допустим, космонавту надо провести эксперимент. Как это происходит? Прежде всего, космонавт внимательно знакомится с содержанием
радиограммы по предстоящей работе, обращается к бортинструкции,
вникает в задачу, запоминает последовательность операций. Далее
требуется освободить доступ к панели, за которой расположен необходимый экспериментальный блок. А это означает, что все, закрепленное
на панели, требуется переместить на другое место и зафиксировать.
Это надо сделать так, чтобы не перекрыть стандартные пути перемещения космонавтов в модуле и не помешать выполнению запланированных ими работ. Продумать, как закрепить в своей рабочей зоне
бортдокументацию, инструменты и, разумеется, как фиксировать себя
(обычно фиксация производится с помощью пальцев одной из ног).
Далее космонавт снимает панель, очищает пылесосом запанельное
пространство, находит номер блока (иногда он расположен на корпусе
крайне неудобно), убеждается, что это именно тот блок, который ему
нужен, освобождает доступ к элементам крепления блока и штепсельным разъемам (для этого часто приходится отсоединять от борта
кабели, проложенные рядом с блоком), устанавливает блок в месте
проведения эксперимента, таким же образом достает другие необходимые экспериментальные блоки, собирает экспериментальную установку (работа сложная, требует навыков), при необходимости проверяет

От авторов

(или, как говорят, «прозванивает») электрические цепи, проводит эксперимент (об этом будет отдельный подробный рассказ), проделывает
перечисленные операции в обратном порядке, приводит рабочую зону
в исходное состояние, включая возвращение на панель всего, что на
ней было.
За это время день сменяет ночь два–три раза (один виток вокруг
Земли занимает 90 минут). Все это происходит в искусственном мире,
контролируемом и управляемом приборами и техническими системами,
которые следует неуклонно поддерживать в рабочем состоянии, для
наружного ремонта и их наладки порой приходится выходить в открытый космос. А сам этот искусственный мир отделен от пустоты тонким
листом алюминиево-магниевого сплава толщиной 3,5 мм.
Проведение современных научных экспериментов в перечисленных
обстоятельствах не может не вызывать глубокого уважения. Но речь
не только о космонавтах. Необычайно интересно интеллектуальное
пространство мыслей, в котором развиваются удивительные, захватывающие сюжеты, о которых рассказывают, правда, не в фильмах-триллерах, а на научных конференциях. К общему делу причастны и инженеры, конструкторы, технический персонал, управленцы, инструкторы,
методисты, постановщики экспериментов, специалисты по вопросам
жизнеобеспечения на борту и т. д. Каждое звено существенно, окончательный успех команды зависит от любой составляющей коллектива.
В книге также рассказывается о тех, зачастую забываемых героях,
кто испытал не только радость достижений и успеха, но изведал и страдания, столкнувшись с трагедией, — словом, книга повествует о людях
науки, о прорывах разума в неизведанное, об открытиях, о смелости
и находчивости, о жизни и смерти, о преодолении и, конечно, об удаче,
которая приходит к тем, кто сделал чуть больше, чем был в силах.
И, наконец, здесь нашли отражение научные открытия, сделанные
более чем за полтора десятилетия исследований на борту Международной космической станции, а также поразительные результаты
космических технологий уже на Земле.
И наконец, оговорка, касающаяся формы изложения отдельных
фрагментов. Книга, идея которой была высказана одним из авторов на
симпозиуме в Мюнхене, посвященном обсуждению очередной серии
экспериментов «Плазменный кристалл» на борту МКС, начиналась
с индивидуальных записей, воспоминаний, набросков и подбора цитат
из личных дневников. Авторы, разумеется, обменивались наработками
по электронной почте, но прошло немало времени до тех пор, когда
они сели за один стол и попытались соединить накопленный материал
в общий текст. В результате получился рассказ, изложенный с сугубо
индивидуальной точки зрения каждого из участников эксперимента,
но представленный в виде развертываемой смысловой перспективы,
построенной как динамически совмещенные точки зрения. Бинокулярное зрение человека не есть простая суперпозиция двух монокулярных
восприятий. Совмещение достигается сложным построением внутренне

От авторов
7

организованной точки зрения. Основой такого построения является
следующая аксиоматика:
1. Упоминание трех, двух или одного из соавторов книги в третьем
лице означает, что данный фрагмент текста написан одним, двумя
или тремя другими авторами.
2. Фрагменты, взятые из личных дневников или воспоминания авторов книги, даны курсивом.
3. Содержание авторских вставок и фрагментов об одном, двух или
трех соавторах книги обсужден четверкой соавторов и отражает
их общее понимание.

Благодарности

Мы хотим выразить признательность ряду людей, помогавших нам
в написании книги и в сборе информации для нее. По прошествии
времени, после стольких взлетов и неудач, сопутствующих проектам
такого масштаба и сложности, вполне возможно, что, несмотря на
всю нашу тщательность и внимание к подробностям, некоторые факты
теперь (оглядываясь назад) предстанут в ином свете, чем они виделись
прежде. Мы старались этого избежать и надеемся на то, что смогли
извлечь максимум информации из общения с участниками экспериментов, не внеся в нее засорение (шум).
Мы хотим поблагодарить космонавтов и астронавтов, проводивших
эксперименты на МКС. Нам посчастливилось лично знать многих из
них, некоторые стали нам близкими друзьями.
Мы благодарны также всей международной группе исследователей
плазменных кристаллов за разработку космического (и лабораторного!)
оборудования, за программное обеспечение эксперимента и за научные
исследования — ведь первейшей целью являлось открытие нового в физике, что и было достигнуто, причем на уровне, превзошедшем наши
ожидания.
Мы благодарим Федеральное космическое агентство России (ФКА),
наших коллег в Центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина
(ЦПК), в Центре управления полетами (ЦУП), а также сотрудников
наземного обслуживания космодрома Байконур за их помощь и поддержку.
Мы хотим поблагодарить прежних и нынешних сотрудников Германского космического агентства (DLR) за всестороннюю поддержку,
консультации, руководство этим проектом, за их энтузиазм и, наконец, что немаловажно, — поблагодарить Агентство за финансирование
проекта.
В
особенности
благодарны
мы
нашим
друзьям
и
коллегам
из
промышленности
(Ракетно-космической
корпорации
«Энергия»
им. С. П. Королёва и «Кайзер-Треде»), разработавшим и создавшим

От авторов

бортовое экспериментальное оборудование, наземную вспомогательную
технику, а также способствовавшим налаживанию связи, испытанию
приборов и т. п. — всего, что находится вне сферы возможностей
научно-исследовательских институтов.
Особо нам хотелось бы поблагодарить Хубертуса Томаса (Институт
внеземной физики Общества Макса Планка) за его вклад и многочисленные обсуждения, Владимира Ивановича Молоткова (Объединенный институт высоких температур РАН) за блестящее знание фактов
и цифр, Андрея Михайловича Липаева за повседневное руководство
бортовым экспериментом, Миленко Рубин-Зузика и Ангелику Лангер
за помощь в работе с рукописью, а также члена Союза писателей
СССР/России Оксану Михайловну Кириченко, которая профессионально перевела на русский язык книгу Gregor Morfill, Yuri Baturin,
Vladimir Fortov Plasma Research at the Limit. From the International
Space Station to Application on Earth. Imperial College Press, 2013,
ставшую исходной для нашего издания, но не совпадающую с ней
полностью по составу информации, а также Илью Михайловича Ободовского за полезные консультации при переводе.
Группа эксперимента «ПКЭ-Нефедов» представлена в книге в полном составе — мы благодарим их всех за их огромный труд. Группа
«ПК-3 плюс» не представлена нами пофамильно. Их исследования
во многом, как и следовало ожидать, совпадают с исследованиями
группы «ПКЭ-Нефедов», но фотографически состав группы у нас, к сожалению, не отражен.
Мы благодарим Российское министерство образования и науки
за поддержку и за то, что исследование плазменных кристаллов было
включено в научную программу станции «Мир» и затем МКС.
Мы благодарим Федеральное министерство образования и научных
исследований Германии, а также Инновационное подразделение концерна BMW за их поддержку исследований в космосе и за отношение
к этим исследованиям как к важнейшей составляющей стратегической
космической программы Германии.
Мы благодарим Российскую академию наук (РАН) за поддержку
исследований плазменных кристаллов посредством экспертных оценок
и рекомендаций, а также за финансовую поддержку научной программы.
Мы благодарны Обществу Макса Планка за поддержку — как
посредством ведомственного финансирования, так и специального, целевого финансирования проекта, без чего не могли бы состояться все
исследовательские работы.
Мы благодарны Российскому фонду фундаментальных исследований, благодаря гранту которого 14-02-07014 эта книга подготовлена
и издана.

От авторов
9

Мы благодарны издательству ФИЗМАТЛИТ и редактору книги
Е. С. Артоболевской за скрупулезную работу над текстом и профессиональное мастерство и художнику А. В. Андросову.
В конце, но не с меньшей благодарностью, мы обращаемся к нашим
семьям за их постоянную помощь, их любовь и теплую поддержку. Без
этого мы не сумели бы замыслить и осуществить такую долголетнюю
и дерзкую космическую программу во всем комплексе ее научных
загадок.

1. ТОЧКА ОТСЧЕТА

Научное исследование в условиях космоса — предприятие многосложное. От замысла до полного воплощения проект может продлиться
более двадцати лет. Это означает, что исследователи должны быть
достаточно молоды или что им, возможно, придется передать свои
знания и навыки и препоручить свои обязанности по эксперименту
младшим коллегам.
Космические исследования бывают разные — могут быть исследования из космоса (например, дистанционное зондирование Земли или
астрономия), исследования самого космоса (например, изучение околоземного пространства, космической погоды, исследование межпланетной среды, а также отдельных планет, Луны, астероидов и комет) и еще
исследования с использованием специфических особенностей космоса
(скажем, невесомости, точнее говоря, микрогравитации и огромных
расстояний). Некоторые исследования удобней производить на беспилотных космических аппаратах с помощью автоматов и робототехники,
а иные требуют экспериментов, производимых людьми, — подобно тем,
что производятся в земных научных лабораториях.
Эксперименты с плазменными кристаллами на Международной космической станции относятся к последнему (проводимому людьми) типу. Их время измеряется годами или, если хотите, витками вокруг
Земли — сотнями тысяч оборотов.
Эта история развивалась в разных концах света — в России, в Германии, в других странах Европы, в США, в Казахстане...
Хотя космические проекты по мере развития идей обычно прослеживаются во времени не очень четко, в данном случае точкой
отсчета, оглядываясь назад, можно принять один трагический день,
забыть который невозможно. Существует особенная дата, явная точка
отсчета — 1 ноября 1991 г.

Айова-сити, 1 ноября 1991 г.

Этот день в Айове был холодным и пасмурным — вполне подходящий мрачный фон для трагических событий, которым предстояло
случиться. Неожиданно нагрянувшая зимняя метель накрыла город
и всю округу снежным покрывалом. День в пятницу в университете
Айовы протекал как обычно. Участники группы космической физики
собрались на очередной семинар в аудитории № 309 корпуса им. Ван
Аллена, названного в честь известного открывателя радиационного
пояса вокруг Земли.