Energia fuzyjna, obiecywana od dziesięcioleci jako przyszłość energetyki, jest coraz bliższa spełnienia. Ale reakcje fuzyjne wymagają niezwykle wysokich temperatur, sięgających milionów stopni Celsjusza. Takie warunki są niezbędne, aby jądra lekkich pierwiastków (deuteru, trytu) mogły się łączyć, uwalniając ogromne ilości energii. Kluczowym wyzwaniem jest jednak utrzymanie tej ekstremalnie gorącej plazmy, czyli zjonizowanego gazu, w stabilnym stanie, aby reakcja przebiegała efektywnie i bezpiecznie.
Czytaj też: Ta plazma nie powinna być stabilna. Fizycy przekroczyli znaną granicę aż 10-krotnie
Naukowcy z University of Nevada opracowali nową metodę monitorowania ultraszybkiego postępu ciepła w ciepłych, gęstych plazmach materii. Badanie prowadzone przez naukowców z University of Nevada śledzi, jak materiały nagrzewają się i stygną po uderzeniu impulsem laserowym. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Podglądanie plazmy
Korzystając z ultrakrótkich impulsów rentgenowskich z rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach (XFEL) w ośrodku SPring-8 Angstrom Compact Free-electron Laser (SACLA) w Japonii, fizycy mogą “zobaczyć” zmianę temperatury materiału w czasie.
Czytaj też: Plazma na ratunek. Nowa metoda pozwoliła na pokonanie dotychczasowych ograniczeń
Naukowcy zauważyli, że w ciągu kilku pikosekund (bilionowych części sekundy) mały, cienki kawałek miedzi na chwilę staje się gęstą plazmą, konkretnie stanem zwanym ciepłą gęstą materią (WDM). Ciepło jest tutaj względnym terminem – metal osiąga temperaturę ponad 111 000 oC.
Dzięki krótkiemu czasowi trwania impulsu laserowego o dużej mocy miedź przechodzi ze stanu stałego w stan plazmy w mgnieniu oka, zanim eksploduje. Zrozumienie postępu ciepła w miedzi to ekscytujący przełom w fizyce dotyczącej wnętrza olbrzymich planet i rdzeni paliwowych fuzji laserowej. Wcześniej zebranie danych o tym, jak zachowuje się plazma w miedzi lub innych materiałach, było trudne lub niemożliwe ze względu na niezwykle szybkie zjawisko nagrzewania.
Naukowcy twierdzą, że wyniki te potwierdzają słuszność symulacji 2D cząstek w komórce obejmujących procesy atomowe i dostarczają wglądu w mechanizmy transferu energii wykraczające poza obecne możliwości symulacji.
Metoda ta będzie stosowana w kilku dziedzinach fizyki, w tym w fizyce plazmy, nauce o wysokiej gęstości energii, astrofizyce, badaniach nad energią fuzji bezwładnościowej oraz fizyce kwantowej i atomowej. Może być stosowana w innych ośrodkach laserów na swobodnych elektronach, takich jak ośrodek MEC-U nowej generacji w SLAC, który łączy lasery petawatowe o dużej mocy i kilodżuli o dużej energii z LCLS. Ponadto odkrycia te rzucają światło na to, jak szybko i skutecznie ciepło przenosi się z laserów do materiału o wysokiej gęstości, co jest tematem dalszych badań przy użyciu laserów o ekstremalnie wysokiej intensywności.
