Невидимый огонь: как плазма остывает светом экспресс
Мощный фен, который дует не тёплым воздухом, а раскалённой добела плазмой, — такие установки называют плазменными аэродинамическими трубами. Они нужны, чтобы на Земле проверить, как космический корабль войдёт в атмосферу. Внутри трубы газ разогревается до тысяч градусов, и часть энергии уходит не с потоком газа и не в стенки, а просто улетает в виде света — как от лампочки.
Раньше считалось, что это свечение почти не влияет на температуру плазмы, и в расчётах его не учитывали. Но в установке Plasmatron X (350-киловаттная труба в Иллинойсском университете) провели детальное моделирование. Оказалось, что при низком давлении — как высоко в горах — световое охлаждение действительно незаметно. Когда же давление поднимается до обычного атмосферного, плазма начинает остывать очень сильно. Для азота потери на излучение достигают 32% от всей подводимой мощности — почти треть энергии уходит в никуда. Для воздуха чуть меньше, около 22%, потому что в воздухе меньше частиц, которые активно светятся.
Инженеры построили карты, показывающие, при какой мощности и давлении сколько энергии теряется. Эти карты — как инструкция для оператора: видно, где излучение можно не замечать, а где оно резко охлаждает плазму и меняет всю картину. Заодно проверили, не поглощает ли сама плазма собственный свет. Оказалось, почти нет — труба остаётся прозрачной для излучения. Так что теперь, проектируя защиту для спускаемых аппаратов, можно точнее рассчитать, сколько тепла дойдёт до поверхности.
При атмосферном давлении в азотной плазме каждый кубический сантиметр испускает столько же света, сколько 100-ваттная лампа накаливания.
В романе «Солярис» Станислава Лема океан излучает свет, реагируя на воздействие; плазма в трубе тоже «отвечает» излучением на нагрев, но по строгим физическим законам.