Плазмотрон "на коленке"

Петр Пересадько, учащийся девятого класса гимназии №1 города Жуковский Московской области, сделал тороидально-коаксиальный плазмотрон, — установку, производящую вихри из низкотемпературной не полностью ионизированной плазмы.

Целью создания установки является изучение поведения и механики создаваемых ей тороидальных вихревых образований. В настоящее время эта область изучена слабо, поэтому Петр планирует сделать вклад в фундаментальную физику с помощью собранного им плазмотрона. Не полностью ионизированная плазма представляет собой газ, содержащий не только заряженные, но и нейтральные частицы.

Работает устройство следующим образом: сначала в камеру через трубочку закачивается водород, в такой пропорции по отношению к имеющемуся внутри воздуху, чтобы получился гремучий газ. Далее искра, возникающая от источника высокого напряжения, поджигает водород. Образуется пламя, которое и является низкотемпературной плазмой. Сопло покрыто куском скотча или целлофаном, которые рвутся под напором выходящего потока плазмы. При прохождении тока через плазму она нагревается, следовательно, вырастает давление внутри камеры.
Вследствие прохождения тока по электродам и плазме возникает сила Ампера, направленная перпендикулярно силе тока. Благодаря этой силе, плазма будет двигаться с ускорением в определённую сторону. В установке этой стороной является сопло.

Первые плазмотроны появились в середине XX века, их использовали в качестве источников тепла высокой мощности. Эти приборы довольно компактны, они помещаются в руке. С помощью плазмотронов можно резать металлы, синтезировать химические соединения, обезвреживать высокотоксичные органические отходы. Они могли использоваться во всех практических областях, где требовался управляемый высокотемпературный поток. Петр же собрал плазмотрон специально для изучения вихревых потоков плазмы. Данное устройство даст возможность изучать магнитоплазменную аэродинамику без использования дорогостоящих материалов и технологий.

Как же образуется вихрь? Поток плазмы можно представить в разрезе как множество слоев, передвигающихся с одной скоростью и направлением. При движении потоков относительно окружающей среды на их границах возникает пограничный слой, в котором возникает направленное возрастание скоростей. Этот поток начинает закручиваться за счёт того, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны, создавая вихрь в зоне пониженного давления.

Петр с 2016 года изучал тему плазменных ускорителей, и тогда же создал свою первую установку, — действующую модель плазмотрона. Он представил ее на нескольких крупных конференциях, проходивших в Санкт-Петербурге, Германии и Москве. Проект "Тороидально-коаксиальный плазмотрон" является продолжением предыдущего. Отличаются они тем, что если в первом случае целью было получение прибора, способного "выстреливать" плазмой, то в новом проекте плазма должна была создавать вихри.

Подобные установки создаются на промышленном производстве или на научных кафедрах, где изучается физика плазмы. Для создания плазмотрона нужны не только глубокие знания в данной области науки, но и практические навыки работы с электроникой, на что способен далеко не каждый студент!