Treceți maiaua: condimentul ar putea ajuta la îmbunătățirea randamentelor energetice de fuziune

Fuziunea inerțială este o metodă de generare a energiei prin fuziune nucleară, deși una afectată de tot felul de provocări științifice (deși progresul se face). Cercetătorii de la Universitatea LeHigh încearcă să depășească un insectă specific cu această abordare, efectuând experimente cu maioneza plasată într-un instrument rotativ în formă de opt. Ei au descris cele mai recente descoperiri ale lor în a hârtie nouă publicat în revista Physical Review E cu ochiul către creșterea randamentelor energetice din fuziune.

Lucrarea se bazează pe cercetările anterioare din laboratorul LeHigh al inginerului mecanic Arindam Banerjee, care se concentrează pe investigarea dinamicii fluidelor și a altor materiale ca răspuns la accelerația extrem de mare și forța centrifugă. În acest caz, echipa sa a explorat ceea ce este cunoscut sub numele de „pragul de instabilitate” al materialelor elastice/plastice. Oamenii de știință au dezbătut dacă acest lucru se întâmplă din cauza condițiilor inițiale sau dacă este rezultatul „proceselor catastrofale mai locale”, potrivit Banerjee. Întrebarea este relevantă pentru o varietate de domenii, inclusiv geofizică, astrofizică, sudare explozivă și, da, fuziunea inerțială.

Cum funcționează exact fuziunea prin izolare inerțială? Ca Chris Lee a explicat pentru Ars in 2016:

Ideea din spatele fuziunii inerțiale este simplă. Pentru ca doi atomi să fuzioneze, trebuie să le aduceți nucleele în contact unul cu celălalt. Ambele nuclee sunt încărcate pozitiv, așa că se resping reciproc, ceea ce înseamnă că este nevoie de forță pentru a convinge două nuclee de hidrogen să se atingă. Într-o bombă cu hidrogen, forța este generată atunci când o mică bombă cu fisiune explodează, comprimând un nucleu de hidrogen. Aceasta fuzionează pentru a crea elemente mai grele, eliberând o cantitate imensă de energie.

Fiind killjoys, oamenii de știință preferă să nu detoneze arme nucleare de fiecare dată când doresc să studieze fuziunea sau să o folosească pentru a genera electricitate. Ceea ce ne duce la fuziunea inerțială. În fuziunea inerțială, miezul de hidrogen este format din un pelet sferic de gheață cu hidrogen în interiorul unei carcase de metal greu. Carcasa este iluminată de lasere puternice, care ard o mare parte a materialului. Forța de reacție a materialului vaporizat care explodează în exterior face ca învelișul rămas să explodeze. Unda de șoc rezultată comprimă centrul miezului peletei de hidrogen, astfel încât aceasta începe să fuzioneze.

Dacă fuziunea de izolare s-ar termina acolo, cantitatea de energie eliberată ar fi mică. Dar energia eliberată din cauza arderii inițiale prin fuziune în centru generează suficientă căldură pentru ca hidrogenul din exteriorul peletei să atingă temperatura și presiunea necesare. Deci, în cele din urmă (cel puțin în modelele computerizate), tot hidrogenul este consumat într-o moarte de foc și sunt eliberate cantități masive de energie.

Oricum asta e ideea. Problema este că instabilitatea hidrodinamică tind să se formeze în starea plasmei – Banerjee o aseamănă cu „două materiale [that] pătrund unul în celălalt ca niște degete” în prezența gravitației sau a oricărui câmp de accelerare – care, la rândul său, reduce randamentele de energie. Termenul tehnic este o instabilitate Rayleigh-Taylor, care apare între două materiale de densități diferite, în care gradienții de densitate și presiune se deplasează. Maioneza se dovedește a fi un analog excelent pentru a investiga această instabilitate în solidele accelerate, fără a fi nevoie de o configurație de laborator cu condiții de temperatură și presiune ridicată, deoarece este un fluid non-newtonian.

„Folosim maioneză pentru că se comportă ca un solid, dar atunci când este supusă unui gradient de presiune, începe să curgă.” spuse Banerjee. „Ca și în cazul unui metal topit tradițional, dacă puneți stres pe maioneza, aceasta va începe să se deformeze, dar dacă eliminați stresul, revine la forma inițială. Deci, există o fază elastică urmată de o fază plastică stabilă. Următoarea fază este atunci când începe să curgă și de aici intervine instabilitatea.”

Mai multa maia, te rog

Experimentele echipei sale din 2019 au implicat turnarea Hellman’s Real Mayonnaise – fără Miracle Whip pentru acest echipaj – într-un recipient din plexiglas și apoi crearea unor perturbări sub formă de valuri în maia. Un experiment a implicat plasarea containerului pe o roată rotativă în formă de opt și urmărirea materialului cu o cameră de mare viteză, folosind un algoritm de procesare a imaginii pentru a analiza filmările. Rezultatele lor au susținut afirmația că pragul de instabilitate este dependent de condițiile inițiale, și anume amplitudinea și lungimea de undă.

Această ultimă lucrare aruncă mai multă lumină asupra integrității structurale a capsulelor de fuziune utilizate în fuziunea cu izolare inerțială, luând o privire mai atentă asupra proprietăților materialului, condițiilor de amplitudine și lungime de undă și rata de accelerație a unor astfel de materiale, deoarece acestea ating pragul de instabilitate Rayleigh-Taylor. . Cu cât oamenii de știință știu mai multe despre tranziția de fază de la faza elastică la faza stabilă, cu atât pot controla mai bine condițiile și pot menține fie o fază elastică, fie plastică, evitând instabilitatea. Banerjee și colab. au reușit să identifice condițiile de menținere a fazei elastice, care ar putea informa proiectarea viitoarelor peleți pentru fuziunea cu izolare inerțială.

Acestea fiind spuse, experimentele cu maioneza sunt un analog, la ordine de mărime departe de condițiile reale ale fuziunii nucleare, pe care Banerjee le recunoaște cu ușurință. El are totuși speranța că cercetările viitoare vor îmbunătăți predictibilitatea exactă a ceea ce se întâmplă în interiorul peleților în mediile lor de înaltă temperatură și presiune. „Suntem un alt dinte în această roată uriașă a cercetătorilor”, spuse el. „Și lucrăm cu toții pentru a face fuziunea inerțială mai ieftină și, prin urmare, realizabilă.”

DOI: Physical Review E, 2024. 10.1103/PhysRevE.109.055103 (Despre DOI).