Образование плазменно-пылевых облаков и модификация минералов, характерных для астероидов и реголитов астрономических тел, в микроволновом разряде при воздействии мощного излучения гиротрона

Микроволновые методы воздействия на минералы и горные породы нашли свое применение для получения ценных элементов из горных пород и/или снижения их твердости для упрощения последующего размола. Также прорабатывается возможность спекания лунного реголита под воздействием микроволнового излучения для производство строительных материалов в условиях лунной базы. Во всех случаях эффект достигается за счет нагрева вещества при непрерывном воздействии на него микроволнового излучения (обычно частотой 2.4 ГГц) за характерное время в десятки секунд или минуты. В то же время при воздействии мощного импульсного микроволнового излучения гиротрона (75 ГГц, 400 кВт, 8 мс) на порошковые образцы, содержащие смесь проводящих (металлы или полупроводники) и диэлектрических частиц, исходные вещества нагреваются до температур кипения за времена < 1 мс. При этом процесс сопровождается развитием микроволнового разряда с образованием плазменно-пылевого облака. Происходит плавление, испарение, модификация поверхности исходных веществ в плазме, синтез новых веществ. Микроволновый разряд в смесях порошков нашел свое применение и как метод синтеза микро- и наноструктур для различных приложений, и как метод создания плазменно-пылевых облаков для моделирования последствий высокоскоростных ударов метеороидов и для исследования отдельных этапов предбиологического синтеза. Недостатком данного подхода для двух последних задач является то, что к смесям, моделирующим вещество лунного реголита или метеороидов и состоящим в основном из непроводящей фракции, зачастую требуется добавлении порошков металла (железо или магний). Искусственное добавление металлов к смесям-имитаторам отдаляет их от оригиналов. Предлагаемый проект состоит в поисковом экспериментальном исследовании возможности развития микроволнового разряда и его параметров в порошках мономинеральных образцов характерных для вещества лунного реголита и метеороидов. Предполагается проверка как минералов, по литературным источникам, обладающих достаточной проводимостью или тангенсом угла диэлектрических потерь (например, камасит, ильменит) и имеющих высокий шанс на развитие разряда, так и с низкими значениями обоих параметров (например, пироксены, оливины, серпентины). В последнем случае возможно дополнительное внешнее воздействие в виде УФ излучения или нагрева. Минералы станут естественной заменой искусственно добавляемому к смесям-имитаторам порошку металла, что существенно улучшит экспериментальный метод моделирования. Проект также сможет внести вклад и в прикладные задачи получения ценных веществ из минералов и горных пород либо модификации их свойств, поскольку будет исследоваться изменение фазового состава и морфологии частиц образцов после воздействия микроволнового разряда методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Проект является междисциплинарным в областях физики, физической химии и геологии (в том числе геохимия внеземного вещества), а также сочетает в себе фундаментальные и прикладные задачи. Экспериментальный подход отличает использование для облучения образцов минералов гиротрона — существенно более мощного и коротковолнового источника микроволнового излучения, чем традиционно используемого для таких задач магнетрона, что проявляется в отличии проводимости и диэлектрической проницаемости исходных веществ из-за их зависимости от частоты переменного поля. Также уникальность и новизна подхода состоит в использовании разрядных явлений, возникающих при облучении минеральных образцов микроволновым излучением, тогда как в существующих традиционных подходах разрядные явления обычно считаются нежелательными. В последние годы в научном сообществе возникло понимание возможности сочетания преимуществ микроволнового нагрева частиц и использования подходов плазмохимии в микроволновом разряде, возникающем на проводящих частицах в целевом газе или даже погруженных в неполярные жидкости.