Naukowcy z Uniwersytet Lehigh używać majonezu w eksperymentach, aby lepiej zrozumieć dynamikę kapsuł termojądrowych, niezbędnych do rozwoju syntezy inercyjnej jako realnego źródła energii.
Majonez w dalszym ciągu jest kluczowym składnikiem trwających badań nad fizyką syntezy jądrowej.
„Nadal pracujemy nad tym samym problemem, jakim jest integralność strukturalna kapsuł termojądrowych stosowanych w inercyjnej syntezie termojądrowej, a prawdziwy majonez firmy Hellmann nadal pomaga nam w poszukiwaniu rozwiązań” – mówi Arindam Banerjee, profesor Paula B. Reinholda Inżynierii Mechanicznej i Mechaniki na Uniwersytecie Lehigh oraz kierownik katedry MEM w PC Rossin College of Engineering and Applied Science.
Zasilanie przyszłości: wyjaśnienie energii termojądrowej
Krótko mówiąc, reakcje termojądrowe napędzają słońce. Naukowcy uważają, że gdyby proces ten można było wykorzystać na Ziemi, mógłby on zapewnić ludzkości niemal nieograniczone i czyste źródło energii. Jednakże odtworzenie ekstremalnych warunków panujących na Słońcu jest niezwykle złożonym wyzwaniem. Naukowcy z różnych dziedzin nauki i inżynierii, w tym Banerjee i jego zespół, badają problem z wielu perspektyw.
Naukowcy z Uniwersytetu Lehigh badają wyzwania związane ze stabilnością, jakie niesie ze sobą synteza jądrowa – za pomocą majonezu! Zespół kierowany przez Arindama Banerjee, profesora inżynierii mechanicznej i mechaniki Paula B. Reinholda, bada fazy niestabilności Rayleigha-Taylora za pomocą innowacyjnego podejścia, które mogłoby pomóc w zaprojektowaniu bardziej stabilnych kapsuł termojądrowych, przyczyniając się do światowych wysiłków na rzecz wykorzystać czystą energię termojądrową. Ich najnowszy artykuł, opublikowany w Physical Review E, bada krytyczne przejścia między fazą sprężystą i plastyczną w tych warunkach. Źródło: Uniwersytet Lehigh
Wyzwania związane z symulowaniem warunków podobnych do słonecznych
Inercyjna fuzja w zamknięciu to proces inicjujący reakcje syntezy jądrowej poprzez szybkie sprężanie i podgrzewanie kapsuł wypełnionych paliwem, w tym przypadku izotopami wodoru. Kapsułki te topią się i formują pod wpływem ekstremalnych temperatur i ciśnienia osoczenaładowany stan materii, który może wytwarzać energię.
„W przypadku tych ekstremów mówisz o milionach stopni Kelvina i gigapaskalach ciśnienia, gdy próbujesz symulować warunki panujące na słońcu” – mówi Banerjee. „Jednym z głównych problemów związanych z tym procesem jest to, że w stanie plazmy powstają niestabilności hydrodynamiczne, które mogą zmniejszyć uzysk energii”.
Unikalne podejście: majonez jako narzędzie badawcze
W ich pierwszy artykuł na ten temat w 2019 roku Banerjee i jego zespół zbadali ten problem, znany jako niestabilność Rayleigha-Taylora. Stan ten występuje pomiędzy materiałami o różnych gęstościach, gdy gradienty gęstości i ciśnienia są przeciwne, tworząc niestabilne rozwarstwienie.
„Używamy majonezu, ponieważ zachowuje się jak ciało stałe, ale pod wpływem gradientu ciśnienia zaczyna płynąć” – mówi. Stosowanie tej przyprawy eliminuje również potrzebę stosowania wysokich temperatur i warunków ciśnienia, które są niezwykle trudne do kontrolowania.
Zespół Banerjee użył jedynego w swoim rodzaju, zbudowanego na zamówienie możliwość obracania koła w Laboratorium Mieszania Turbulentnego Banerjee, aby naśladować warunki przepływu plazmy. Gdy przyspieszenie przekroczyło wartość krytyczną, majonez zaczął płynąć.
Spostrzeżenia Mayo: Zrozumienie zachowań materialnych
Jedną z rzeczy, które odkryli podczas tych wstępnych badań, było to, że zanim przepływ stał się niestabilny, miękka substancja stała, tj. majonez, przeszła kilka faz.
„Podobnie jak w przypadku tradycyjnego roztopionego metalu, jeśli majonez zostanie poddany naciskowi, zacznie się on odkształcać, ale jeśli usuniemy naprężenie, wróci do swojego pierwotnego kształtu” – mówi. „Zatem następuje faza elastyczna, po której następuje stabilna faza plastyczna. Następna faza ma miejsce, gdy zaczyna płynąć i wtedy pojawia się niestabilność.
Zrozumienie tego przejścia między fazą sprężystą a stabilną fazą plastyczną ma kluczowe znaczenie, mówi Banerjee, ponieważ wiedza o tym, kiedy rozpoczyna się odkształcenie plastyczne, może dać badaczom wskazówkę, kiedy wystąpi niestabilność, mówi Banerjee. Następnie będą starali się kontrolować warunek pozostania w tej elastycznej lub stabilnej fazie plastycznej.
Postęp w badaniach nad syntezą termojądrową: najnowsze odkrycia
W ich najnowszy artykułopublikowany w Przegląd fizyczny Ezespół (w skład którego wchodzi były student i pierwszy autor badania, doktor Aren Boyaci ’24, obecnie pracujący w Rattunde AG jako inżynier ds. modelowania danych w Berlinie w Niemczech) przyjrzał się właściwościom materiałów, geometrii zaburzeń (amplituda i długość fali ) oraz szybkość przyspieszania materiałów podlegających niestabilności Rayleigha-Taylora.
„Zbadaliśmy kryteria przejścia między fazami niestabilności Rayleigha-Taylora i sprawdziliśmy, jak wpływa to na wzrost zaburzeń w kolejnych fazach” – mówi Boyaci. „Znaleźliśmy warunki, w których możliwy jest powrót elastyczny i jak można go zmaksymalizować, aby opóźnić lub całkowicie stłumić niestabilność. Prezentowane przez nas dane eksperymentalne są także pierwszymi pomiarami odzysku w literaturze.”
Odkrycie jest ważne, ponieważ może pomóc w zaprojektowaniu kapsułek w taki sposób, aby nigdy nie stały się niestabilne.
Rodzi się jednak pytanie, w jaki sposób dane zespołu mają się do tego, co dzieje się w rzeczywistych kapsułach termojądrowych, których wartości właściwości różnią się o rzędy wielkości od miękkich ciał stałych wykorzystywanych w eksperymentach.
„W tym artykule niewymiarowaliśmy nasze dane, mając nadzieję, że przewidywane zachowanie przekroczy te kilka rzędów wielkości” – mówi Banerjee. „Próbujemy zwiększyć przewidywalność tego, co stanie się z kapsułkami ze stopioną, wysokotemperaturową i wysokociśnieniową plazmą, za pomocą analogowych eksperymentów z użyciem majonezu w obracającym się kole”.
Droga przed nami: potencjał energii termojądrowej
Ostatecznie Banerjee i jego zespół biorą udział w globalnym wysiłku mającym na celu urzeczywistnienie obietnic dotyczących energii termojądrowej.
„Jesteśmy kolejnym trybikiem w tym gigantycznym kole badaczy” – mówi. „Wszyscy pracujemy nad tym, aby fuzja inercyjna była tańsza, a zatem osiągalna”.
Referencje:
„Przejście na reżim plastyczny dla niestabilności Rayleigha-Taylora w miękkich ciałach stałych” Aren Boyaci i Arindam Banerjee, 15 maja 2024 r., Przegląd fizyczny E.
DOI: 10.1103/PhysRevE.109.055103
„Eksperymenty z niestabilnością Rayleigha-Taylora z materiałami sprężysto-plasticznymi” Rinosh Polavarapu, Pamela Roach i Arindam Banerjee, 8 maja 2019 r., Przegląd fizyczny E.
DOI: 10.1103/PhysRevE.99.053104
