Плазменные кристаллы: от космических исследований до медицинских применений на Земле и вновь обратно в космос

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 2(8) 2016

Профессор Грегор Морфилл (Prof Gregor Morfill), генеральный директор компании Terraplasma GmbH

Профессор Владимир Фортов (Prof Vladimir Fortov),  Президент РАН

Д-р Julia Циммерман (Dr Julia Zimmermann), генеральный директор компании Terraplasma Medical GmbH

С самого начала, 15 лет назад, когда Сергей Крикалёв провёл первые опыты, более 30 астронавтов и космонавтов осуществили научные исследования с плазменными кристаллами, были опубликованы более 100 научных статей, и сделано такое же количество научных докладов, представленных на различных международных конференциях.

Какова же специфика проекта «Плазменный кристалл»? В любом случае не все знают, что «плазма», которая (обычно) состоит из равного количества положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов и электронов), представляет собой наиболее неупорядоченную форму материи и не может стать кристаллом, который представляет собой наиболее упорядоченную форму материи.

И почему эксперименты, проводимые в космическом пространстве на МКС, всего лишь подтверждают то, что и так очевидно представляется противоречивым явлением? И каким образом столь странные исследования оправдывает около 1000 страниц научных статей, написанных за последние 15 лет? И ещё более странно, что публикация открытий Томаса, Морфилла и прочих включает 1500 ссылок, подчёркивая таким образом очень высокий интерес во всём мире к самой сущности квинтэссенции.

Чтобы получить ответ на эти вопросы, приведём пару высказываний сэра Джона Мэддокса, с недавнего времени редактора престижного журнала Nature (раздел News and Views («Новости и мнения»), Nature 370: 411, 1994): «В значительной степени эксперимент сопровождает отменная изобретательность, которая, несмотря на электронное оборудование, непременно сопровождающее его, тоже очевидна. Слово «элегантно» представляется избитым, но в данном случае весьма уместным».

Он добавляет: «То, что сами разработчики хотели бы сделать, – это проводить свои эксперименты в условиях «микрогравитации». На первый взгляд, помещение на каком-нибудь будущем рейсе Space Shuttle представляется наиболее целесообразным, чем большинство других раннее высказанных предположений».

Итак, предлагаемая тема понимается как актуальная. И условия микрогравитации рассматриваются как существенные элементы для изучения этого явления. Так что было достигнуто и с какой целью это можно использовать?

Поиски плазменного кристалла

Существует множество различных видов плазмы: встречающиеся в естественном виде в космическом пространстве и созданные человеком. В космосе присутствуют звёзды (гигантские плазменные шары), сверхновые звёзды (взрывающиеся облака плазмы), области звёздообразования (холодные, то есть частично ионизированные плазмы), межзвёздные среды (очень разреженная горячая плазма) и так далее.

На Земле у нас есть атмосферные молнии (кратковременные плазменные каналы), ионосфера (оболочка, ионизированная излучением от Солнца ), выбросы в песчаных бурях и в вулканических шлейфах и так далее. Техногенные плазмы могут представлять простые бытовые устройства, такие как неоновые лампы, плазменные экраны телевизоров, производство компьютерных чипов и солнечных батарей и другое. Плазменные процессы используются в многомиллиардных отраслях  промышленности и, надеюсь, в не слишком отдалённом будущем для производства энергии в ядерном синтезе.

Рисунок 1 предлагает сводную информацию по различным видам плазмы, отличающимся плотностью и температурой. Обратите внимание на область в левом верхнем углу, где плазма отсутствует. Это режим, при котором плазма должна существовать в жидком или даже кристаллическом состоянии. Имеющиеся научные познания до середины 1990-х подразумевали, что плазма там присутствовать не может, подкрепляя прописное определение плазмы как «облака совокупных нейтральных заряженных частиц».

Как это часто случается в науке, прорыв произошёл с неожиданной стороны

Как это часто случается в науке, технический прорыв произошёл с неожиданной стороны. Для получения кристаллического состояния потенциал взаимодействия между соседними частицами должен превышать их тепловую энергию; другими словами, если случайное (тепловое) движение слишком велико, упорядоченные кристаллические структуры исключаются.

В плазме взаимодействие между частицами является электростатическим: сила пропорциональна электрическому заряду в квадрате. Таким образом, требования следующие: плазма должна быть «холодной» (иметь низкую тепловую энергию), а заряд частицы должен быть высоким (иметь сильный потенциал взаимодействия).

Эксперимент ЕКА – Роскосмос Plasma Kristall-4 для воссоздания атомных взаимодействий в большем масштабе, чем когда-либо ранее. Микроскопические частицы пыли впрыскиваются в неоновую и аргоновую трубку, чтобы действовать в качестве атомных субститутов. По мере того, как они плавают в заряженном газе, они собирают отрицательные заряды, и соответственно положительные ионы накапливаются вокруг них. В результате чего они начинают отталкиваться друг от друга, причём так же, как делают это атомы в жидком состоянии. Такие исследования невозможно проводить на Земле, так как частицы пыли падают под действием силы тяжести и моделируемые атомы не смогут вести себя реалистично

В принципе (и в ретроспективе) решение очень простое:

• Используем частично ионизированную «холодную» плазму, в которой столкновения между ионами и незаряженными частицами очень быстро приведут к тепловому равновесию при температуре неионизированного газа (по аналогии, если в ведро с холодной водой добавить каплю горячей воды и перемешать, в результате получаем ведро холодной воды при условии, что капля не была слишком большой).
• Затем в плазму добавляем микрочастицы. Микрочастицы быстро заряжаются от столкновений с высоко мобильными электронами, получая до нескольких 1000 электронных зарядов каждый. Потенциал взаимодействия между такими микрочастицами в этом случае во много миллионов раз выше, чем между отдельными ионами.

Тем не менее, используя чисто теоретические выкладки, трудно убедить физиков плазмы или, если на то пошло, любых физиков, что таков вероятный способ производства плазменных кристаллов.

Существуют различные виды плазм: природные и рукотворные. Режим плазмы охватывает около 30 декад по плотности и семь декад по температуре – намного больше, чем любые другие состояния материи, которые нам известны. Кроме того, могут быть химические изменения, которые добавляют ещё несколько декад нестабильности. Другими словами, «отдельно взятая плазма есть то же, что и отдельно взятая плазма»: их свойства могут значительно отличаться

Как уже упоминалось ранее, после экспериментального подтверждения существования плазменных кристаллов подобный скептицизм превратился в энтузиазм, как красноречиво выразился сэр Джон Мэддокс. Стремление понять свойства подобного нового состояния плазмы придало импульс многим лабораториям вступить в борьбу. На рисунке 2 показаны две фотографии «сильно взаимодействующих плазм»: на левой стороне «аморфная» система, справа – кристаллическая система, окружённых жидкой оболочкой.         

Спустя некоторое время были предприняты первые попытки использовать такие «комплексные плазмы» (как их тогда назвали), чтобы понять другие явления типичного материального сильного взаимодействия. Преимущество комплексной плазмы заключается в возможности визуализации отдельных частиц через ПЗС-камеру посредством соответствующей оптики: частицы «засветились» с помощью лазера, и их движение довольно легко можно было отследить.

В силу подобных обстоятельств физики не только получили в своё распоряжение систему, которая способна дать полное представление об «атомистическом мире» материи путём осуществления наблюдений за взаимодействием отдельных частиц, отрабатывающих совместный процесс; фазовые переходы, такие как плавление и кристаллизация; разделение фаз; эффект колебаний с высоким разрешением; ударные волны и так далее, они также получили возможность изучать эти процессы, вплоть до мельчайших характерных временных шкал, заданных частотами Эйнштейна, – режима, прежде недоступного для экспериментальных исследований на этом уровне.

И это ещё не всё: одновременно можно предпринять исследование для изучения классического «нано-эффекта», например, что происходит с коллективными процессами, такими как поверхностное натяжение, вязкость и так далее, когда система состоит из всё менее и менее взаимодействующих частиц.

После экспериментального подтверждения существования плазменных кристаллов скептицизм перерос в энтузиазм

Два примера – трёхмерные, сильно связанные облака плазмы. Отдельные микрочастицы представлены в виде точек. Структурная информация представлена в цвете: красный соответствует FCC (гранецентрированной кубической) кристаллической структуре, зелёный – HCP (гексагональной плотноупакованной) структуре и синий – жидко-подобную структуру

Впервые можно было найти ответ на вопрос: сколько частиц (атомов или молекул) необходимо для возникновения совместных процессов, в какой момент подчас происходят значительные изменения в физике и поведении материи? И, кроме того, различается ли количество частиц, участвующих в различных совместных процессах, и если да, то почему?

Далее мы представим три из нескольких десятков примеров, когда исследования комплексной плазмы привнесли новые физические процессы. Космическое пространство не позволяет большего, между тем как некоторые из достижений имеют важное значение для нашего понимания фундаментальных физических процессов (например, что происходит в «критической точке» при фазовых переходах, или проверка «эргодической гипотезы»), они с трудом поддаются описанию в контексте повседневных процессов, которые нам хорошо известны.

Достаточно сказать, что, имея впервые возможность анализировать процессы в реальном пространстве и времени на самом фундаментальном (движение отдельных взаимодействующих частиц) «атомистическом уровне», физики открыли новый подход для совершенствования наших знаний о физике и динамике материи.

Три примера таковы:

• «Сдвиговое течение на границах жидкости» – затянувшаяся тема исследования, которая до настоящего времени подлежала изучению только на кинетическом (частицы) уровне в численном моделировании, не в эксперименте.
• Фазоразделение – проблема водонефтяного контакта. Хорошо известно, что некоторые жидкости не смешиваются, но это явление никогда не наблюдалось на уровне отдельных частиц, не говоря уже об анализе в бласти (нано) границы, когда капли становятся всё меньше и меньше.
• Электрореология – процесс, в котором применение электрического поля резко изменяет физические свойства вещества, например, увеличивая силу сжатия и уменьшая прочность при сдвиге вдоль определённых направлений.

Физики нашли новый подход к совершенствованию наших знаний о физике и динамике материи

Комплексный плазменный поток вокруг препятствия, демонстрирующий типичное влияние на полёт спутной струи и интерфейс сдвигового течения. Вставка показывает увеличенный участок границы сдвига в момент столкновительной передачи импульса в качестве доминирующего процесса, что отчётливо видно. Далее, вниз по течению, процесс передачи импульса отличается от других: в нём преобладают поверхностные нестабильности и перемешивание сгустков частиц. Длина и скорость, показанные на рисунке, вычисляются путём масштабирования комплексной плазмы

Разделение фаз между двумя популяциями частиц разного размера. Мелкая частица образовалась первым нагнетанием потока небольшого размера (3 мкм) частиц в фоновый режим более крупных (8 микрон размера) частиц. Мелкие частицы замедлились, а затем спонтанно соединились в мелкую частицу, содержащую около 8000 частиц (по аналогии водонефтяного баланса диаметр капли составляет всего 20 молекул)

Электрореология – эксперименты, проведённые астронавтом Европейского космического агентства Томасом Райтером. Левое изображение показывает неравномерное распределение микрочастиц, характерных для изотропной жидкой фазы. Правая картинка показывает частицы, выровненные вдоль направления переменного электрического поля, приложенного извне. Это так называемая «связанная жидкость». Вдоль связки жидкость трудно сжимать, в то время как смещение легче. При изучении возмущений, зависимостей напряжённости поля и т.п. процесс можно изучить в деталях и оптимизировать

Из космического пространства на Землю

Разработка космических экспериментов для комплексной плазмы (на данный момент три лаборатории МКС: PKE, PK3 – plus и PK – 4, в какой-то мере причудливая нумерация является производной от двух предыдущих российских экспериментов с плазмой PK-1 и PK-2 на космической станции «Мир») привнесла опыт в области миниатюризации и различных технологий холодной плазмы. Этот опыт сыграл важную роль в деле разработки новой области наземных применений – «Плазменной медицине».

В настоящее время сплошь и рядом приводят аргументы, что для наземных применений вовсе нет необходимости сначала лететь в космос. По сути дела, это верно. Если некоторые приложения можно выполнить на Земле, то, в принципе, нет нужды двигаться кружным путём через космическое пространство. Между тем такой подход не соответствует реалиям научно-исследовательской и инновационной деятельности.

Некоторые открытия происходят спонтанно (например, пенициллин, электричество), некоторые – через переход из одной области в другую (например, томография), а некоторые просто являются последствиями технологических усовершенствований (например, атомно-силовая микроскопия). И тем самым неизбежно, что некоторые из достижений в космическом пространстве, будь то технологические достижения или более основательное общее понимание физических, химических или биологических процессов, найдут свою нишу в наземных приложениях.

В нашем случае для плазменной медицины, как оказалось, детальное понимание физики холодной плазмы, динамики, химии и технологии (в том числе миниатюризации и сопутствующих проблем, которые многие годы исследований в космосе давали нам уроки) сыграло важную роль в разработке солидной платформы плазменной технологии, которая безопасна для человеческих применений.

Этот факт служит объяснением примеру из практики, когда исследователям Сети Макса Планка удалось провести первые (и по сей день) наиболее полные и крупные клинические исследования с участием 379 пациентов, а также анализ свыше 3000 случаев плазменной обработки в течение более восьмилетнего периода времени, включая последующий контроль.

Плазменная инактивация устойчивых антибиотикам бактерий: MRSA –метициллин-резистентный золотистый стафилококк (слева внизу). Были подготовлены несколько чашек Петри, содержащие около 20 миллионов бактерий каждая. В левом верхнем углу показано контрольное измерение: бактериальный раствор разбавляют 100.000, затем выкладывают на агар и инкубируют. Каждая «точка» представляет собой колониеобразующие единицы (КОЕ) бактерий, выращенные после инкубации в течение 12–24 часов, начиная с одной бактерии. Таким образом, подсчёт этих «точек» даёт число бактерий, первоначально присутствующих в агаре. Если плазменная обработка будет способна инактивировать 99,999 процентов бактерий, то чашки Петри, обработанные плазмой, должны выглядеть как контрольные. Четыре поля справа показывают уменьшение бактерий в разное время плазменной обработки. «Точки» теперь отмечают единичные бактерии, которые пережили плазменную обработку. Даже после двух секунд достигается 99,999-процентное сокращение, а через 30 секунд инактивируются все бактерии MRSA; к нашему сведению: такая холодная атмосферная плазма является наиболее эффективным бактерицидным агентом, который не вредит тканям человека

Краткое изложение клинических исследований представляет собой:

Лечение застарелых ран

Цель заключалась в снижении бактериальной нагрузки в застарелых ранах, чтобы избежать повторного заражения и достичь более быстрого заживления. Научные задачи были выполнены: при плазменной обработке раны не было отмечено случаев повторной инфекции, и процесс заживления ран ускорился. Информация о каких-либо отрицательных побочных эффектах отсутствовала.

Заживление ран

Цель заключалась в исследовании возможностей плазменной обработки для ускорения заживления тяжёлых ран. Исследование включало в себя лечение ран с пересадкой кожи. Научные задачи были выполнены: заживление ран, как правило, происходило на 15–20 процентов быстрее. Информация о каких-либо отрицательных побочных эффектах отсутствовала.

Болезни кожи

Цель заключалась в исследовании возможностей плазменной обработки, чтобы уменьшить болевые ощущения и зону поражения при опоясывающем лишае (герпес-вирус), вирусной кожной инфекции. Научные задачи были выполнены: удалось в значительной степени снять болевые ощущения и уменьшить очаг поражения. Информация о каких-либо отрицательных побочных эффектах отсутствовала.

Кроме того, существует целый ряд индивидуальных клинических методик лечения (семейный доброкачественный пемфигус, инфекции ног, инфекции уха резистентными бактериями), которые поддаются лечению после применения плазмы, даже в тех случаях, когда годичный стандартный курс приёма антибиотиков не увенчался успехом. Важным элементом плазменной обработки является производство газообразных активных форм, которые эффективно инактивируют бактерии, вирусы, грибки и споры, а также производство газообразных форм для последующих регенеративных процессов в тканях человека.

Рисунок 6 демонстрирует успешность действия конкретного источника плазмы – «наружного микро-коронирующего» электрода, разработанного в Институте Макса Планка, и по этой причине впоследствии усовершенствованный (до «тонкоплёночного электрода») компанией Terraplasma GmbH (дочерней компании Max Planck Society).

Перед тем как закрыть тему плазменной медицины, мы представим ещё один результат, заимствованный из более чем 50 научных публикаций Сети Макса Планка. Мы делаем акцент на научный результат, который оказался совершенно непредвиденным: возможность применения холодной атмосферной плазмы для лечения рака.

Неизбежно определённые научные достижения в космическом пространстве найдут свою нишу в наземных применениях

Эксперимент проводился «в искусственных условиях» с использованием клеток глиобластомы (опухоль головного мозга). Клетки опухоли головного мозга трудно поддаются лечению: операция не из лёгких; доставка лекарственных препаратов через гематоэнцефалический барьер затруднённая; рост опухоли является инфильтративным; и более чем 40 процентов опухолей имеют устойчивые к химиотерапии субпопуляции глиомы.

Холодная атмосферная плазма даёт более 600 неравновесных химических реакций в воздухе, хотя только три компонента играют некоторую роль: кислород, азот и пары воды.

Подобные химические реакции в некоторой степени можно «доработать», чтобы использовать главным образом антимикробные свойства путём производства тех же активных форм, что и наша собственная врождённая иммунная система, тем не менее в свободно применимой газообразной форме или регенерирующие свойства (ускоренное заживление ран).

Таким образом, в нашем распоряжении есть потенциально весьма эффективное новое медицинское средство – холодная атмосферная плазма, которую можно приспособить для различных положительных воздействий в области здравоохранения. В настоящее время многие научно-исследовательские лаборатории по всему миру развивают интересный новый подход с учётом огромной изменчивости, доступной для многих состояний плазмы (см. рисунок 1 и комментарии), а также соответствующим образом различных свойств плазмы для применения в медицинской терапии.

Комбинированная терапия клеток глиобластомы LN18 с использованием TMZ (Темозоламид) и CAP (холодная атмосферная плазма). Эти клеточные линии устойчивы к химиотерапии (Темозоламид – ТМЗ). Применение только ТМЗ приводит в основном к безудержному росту (около 140 процентов) опухолевых клеток по сравнению с контрольными (см. колонка 2). Применение холодной атмосферной плазмы (CAP) в течение 60 секунд снижает жизнеспособность опухолевых клеток (около 45 процентов), как показано в третьей колонке. Комбинированное лечение даёт дополнительный эффект – снижение жизнеспособности клеток опухоли примерно до 20 процентов. Плазменная обработка восстанавливает чувствительность резистентных клеток LN18 к ТМЗ химиотерапии!

Конструкция устройства для плазменной обработки ран (дизайн Каролин Фронцек), в том виде, как её можно использовать на Земле. Очевидно, что без изменений (например, магнитный держатель к зарядному устройству) в таком формате, она не будет пригодна для использования в космическом пространстве. Другой проблемой является химия плазмы: в условиях микрогравитации перенос трассировочных молекул отличается от Земли, не известно, каким образом меняется химия и что это означает для реактивных продуктов. Требуются исследования и разработки в условиях микрогравитации

С Земли обратно в космическое пространство

Существует ещё одно важное свойство холодной атмосферной плазмы – это полностью устойчивый ресурс без каких-либо побочных продуктов и удаления отходов. Плазму можно получать и использовать при наличии воздуха и электроэнергии.

Без воздуха и электричества люди не могут существовать в космическом пространстве (или в других неблагоприятных средах, таких как подводные лодки). В определённом смысле речь идёт о том, что как только подтверждаются преимущества плазменных приложений и апробируются технологии для применения в условиях микрогравитации, небольшой миниатюрный плазменный распределитель может послужить в качестве дополнительного оборудования для оказания текущей медицинской помощи для космонавтов. Возможные области применения, следующие:

• Заживление ран: в условиях микрогравитации раны не затягиваются так быстро, как на Земле, поэтому ускорение процесса имеет важное значение.
• Кожные заболевания: в ​​условиях микрогравитации врождённая иммунная система становится менее эффективной, поддержка иммунной системы в борьбе с инфекциями посредством плазмы может оказаться весьма полезной.
• Загрязнение воздуха: холодная плазма может различными способами способствовать распаду загрязняющих веществ в воздухе, например, диссоциация электронным ударом или окисление, что обеспечит здоровую окружающую среду.
• Очистка воды: тесты показали, что бактерии и вирусы в воде можно весьма эффективно инактивировать при сохранении качества питьевой очищенной воды. Такой подход в состоянии обеспечить дополнительную безопасность во время длительных космических полётов, когда воду приходится перерабатывать множество раз.
• Дезинфекция поверхности: холодную атмосферную плазму можно использовать для дезинфекции чувствительных материалов без ущерба для обрабатываемых устройств. Помимо этого, в качестве газообразной среды она может получить доступ в места, которые исключают такую возможность для, например, УФ-излучения или жидких дезинфицирующих средств.

Немецкое космическое агентство (DLR) финансирует текущий проект «Правильность принципов» при поддержке Российского ИМБП (Институт медико-биологических проблем) и Европейского космического агентства с тем, чтобы изучить возможности применений холодных атмосферных плазм в космическом пространстве.

Таким образом, исследования плазмы, которые начинались в космическом пространстве и используются в медицинских применениях на Земле, теперь можно вернуть обратно в космос в интересах астронавтов и космонавтов, которые проводят оригинальные фундаментальные космические эксперименты и которые, несомненно, будут продолжать новаторскую деятельность на самой большой и самой сложной мирной границе, которую человечество обязано исследовать.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Plasma Crystals - from space research to medicine on Earth and back to space again
 журнал ROOM №2 (8) 2016