Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект является поисковым экспериментальным исследованием, в котором должны быть проверены порошковые образцы различных минералов при воздействии на них микроволнового излучения с высокой плотностью мощности. Необходимо найти минералы, воздействие на которые будет приводить к быстрому нагреву образца до высоких температур, испарению его вещества, развитию микроволнового разряда и плазменно-пылевого облака. При этом накладывается ограничение на выбор минералов — минералы должны быть характерны для ранней Земли и/или других космических тел. Поэтому важной частью проекта является выбор и фактическое получение минеральных образцов и образцов космического происхождения (вещество метеоритов). Всего для проекта в первый год было получено более 13 разных минеральных образцов: ильменит, пирротин, камасит, геденбергит, диопсид, хромдиопсид, бронзит, энстатит, форстерит, кнебелит, железистый оливин, обыкновенный хондрит из Западной Сахары, магнетит, гематит, хризолит и др. Большая их часть после помола до состояния порошка была подвергнута воздействию мощного импульсного излучения гиротрона частотой 75 ГГц с образованием плазменно-пылевой среды и/или непрерывному излучению гиротрона частотой 24 ГГц для выявления минералов способных к быстрому нагреву до высоких температур вследствие развития тепловой неустойчивости. С редкими образцами кнебелита, железистого оливина и камасита (метеорит Сихотэ-Алинь, метеорит NWA6203) было решено проводить эксперимент во втором году проекта как с дополнительными, представляющими научный интерес, но не принципиальными для главной цели проекта. При воздействии импульсного микроволнового излучения частотой 75 ГГц и длительностью 8 мс при средней плотности мощности 14 кВт/см2 на образцы ильменита, пирротина, бронзита и диопсида микроволновый пробой возникал во всех случаях. В случае пирротина и бронзита наблюдалось: больший объем плазменно-пылевого образования во время микроволнового импульса, более долгое свечение пылевого облака после окончания импульса, более медленное падение температур поверхности частиц образцов. Поэтому добавление пирротина и/или бронзита в имитаторы реголитов, которые слабо поглощают микроволновое излучение (например, лунный реголит) с большой вероятностью приведет к развитию микроволнового разряда и в этих смесях, что будет проверено во втором году проекта. При этом весь материал используемой в эксперименте мишени будет иметь минеральное происхождение для более качественного воспроизведения состава естественных плазменно-пылевых сред. Такие среды интересны, например, для исследования роли плазмохимических процессов и гетерогенного катализа на поверхности частиц в абиогенном синтезе органических молекул в условиях ранней Земли или других космических объектов. Если для пирротина, обладающего проводимостью всего лишь на два порядка ниже металлов и магнитными свойствами (ферримагнетик), успешный результат можно было предположить, то в случае бронзита сильное поглощение излучения, возможность развития микроволнового разряда не предсказывалась по анализу литературных источников. При этом в случае бронзита, являющегося пироксеном ((Mg,Fe)2Si2O6) с орторомбической сингонией, разряд развивался существенно активнее, чем в случае диопсида (CaMgSi2O6), являющегося пироксеном с моноклинной сингонией. Причина различий (химический состав, тип и свойства кристаллической решетки) во взаимодействии минералов одной группы с мощным микроволновым изучением представляет интерес для отдельного изучения. Во всех случаях, когда микроволновый разряд развился, в спектрах излучения были зарегистрированы линии атомов и ионов элементов (Fe I, Fe II, Ti I, Mg I, Mg II, Ca I, Ca II, Si I), входящих в состав исходного вещества, а также полосы излучения ожидаемых молекул (FeO, TiO для ильменита, FeO, MgO для бронзита). В случае диопсида линии излучения магния, кальция и кремния присутствуют, но молекулярных полос MgO нет, что косвенно подтверждает менее активное развитие разряда и, вероятно, меньшее испарение вещества образца. Температуры поверхности частиц ильменита и пирротина, определенные по континууму теплового излучения составили 3300 К и 2800 К соответственно в конце микроволнового импульса, что близко температурам кипения TiO2 (~3300 К) и Fe (3134 К) при атмосферном давлении. По данным сканирующей электронной микроскопии во всех образцах вещества, отобранного после эксперимента, обнаруживается появление сферических частиц. Для образцов, где разряд развивался более активно, например, в случае пирротина, количество таких частиц больше. Эффект сфероидизации частиц порошков в разряде — характерный эффект воздействия плазмы. При этом для пироксенов (бронзита, диопсида) характерно еще и появление пор (главным образом в сферических частицах), что может быть связано с наличием магния и кремния в них по сравнению с ильменитом и пирротином. При наблюдавшихся в экспериментах температурах поверхности частиц, близких к температуре кипения, фактах появления сферических частиц, несколько удивительным выглядит неизменность фазового состава образцов (по данным рентгеновского дифракционного анализа) и распределения элементов (по данным энергодисперсионного анализа). Однако, при более пристальном взгляде на микрофотографии частиц порошка после воздействия микроволнового разряда можно обнаружить в наномасштабе признаки конденсата в виде мелких более светлых частиц на поверхности крупных. Эти частицы могут иметь отличный от основного вещества, состав, например, являться восстановленным из исходной окисленной формы железом. Эксперимент с воздействием непрерывного излучения частотой 24 ГГц, также в виде гауссова пучка линейно-поляризованного излучения, на образцы минералов (диопсид, хромдиопсид, геденбергит, бронзит, форстерит, обыкновенный хондрит, магнетит) помог установить факт развития тепловой неустойчивости в большинстве образцов (кроме диопсида, хромдиопсида и магнетита), когда температура образца и поглощение микроволнового излучения быстро растут во времени вследствие зависимости коэффициента поглощения от температуры. Предположительно развитие тепловой неустойчивости вносит вклад в начальный этап развития микроволнового разряда и образование плазменно-пылевого облака. Для образцов форстерита и геденбергита наступление тепловой неустойчивости происходило только при больших плотностях мощности микроволнового излучения (~ 1.5 кВт/см2). Но в условиях большей плотности мощности в экспериментах с импульсным излучением 75 ГГц (14 кВт/см2), можно ожидать развития микроволнового разряда и в этих образцах, что будет проверено во втором году проекта в качестве дополнительной задачи. В то же время получены качественно новые результаты по температурным зависимостям поглощения СВЧ излучения для минеральных образцов и изменение минерального вещества из порошковой формы в форму расплава при СВЧ нагреве большой плотности мощности.