Co mają ze sobą wspólnego majonez i fuzja jądrowa? Więcej niż myślisz

Majonez i fuzja jądrowa. Razem stworzą przełom w fizyce?

W jaki sposób coś tak trywialnego z punktu widzenia fizyki może pomóc w tej dziedzinie? Aby to wyjaśnić, trzeba najpierw zrozumieć, czym jest fuzja jądrowa.

Fuzja jądrowa to proces, w którym lżejsze jądra atomowe łączą się ze sobą, tworząc cięższe jądro. W trakcie tego procesu uwalniana jest ogromna ilość energii. Fuzja jest zjawiskiem naturalnym, zachodzącym na przykład w gwiazdach, takich jak Słońce. To właśnie dzięki niej gwiazdy emitują światło i ciepło. To niezwykłe zjawisko interesuje naukowców, ponieważ teoretycznie mogłaby dostarczyć niemal nieograniczoną ilość czystej energii.

W fuzji jądrowej niezbędna jest plazma. Umożliwia ona zbliżenie do siebie jąder atomowych na tyle blisko, aby mogły się połączyć. Ponieważ jądra atomowe mają dodatni ładunek, naturalnie odpychają się nawzajem. Aby przezwyciężyć to odpychanie, potrzebna jest bardzo wysoka temperatura. W praktyce oznacza to, że plazma w reaktorze do fuzji jądrowej musi osiągać temperatury rzędu milionów stopni Celsjusza.

Naukowcy z Uniwersytetu Lehigh eksperymentują z majonezem, aby odkryć tajemnice fuzji jądrowej. Badania te opierają się na ich wcześniejszej pracy, opublikowanej w 2019 r., w której również wykorzystano majonez do zrozumienia fizyki fuzji. „Używamy majonezu, ponieważ zachowuje się jak ciało stałe, ale pod wpływem gradientu ciśnienia zaczyna płynąć” – powiedział Arindam Banerjee, profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Lehigh.

Majonez, fuzja jądrowa odtworzą ekstremalne warunki Słońca

Majonez naśladuje zachowanie plazmy w tokamaku (reaktorze fuzji jądrowej). Odtworzenie ekstremalnych warunków panujących na Słońcu stanowi wyzwanie. Jednym ze sposobów ich osiągnięcia jest fuzja jądrowa w warunkach bezwładnościowych. Technika ta polega na ściskaniu i podgrzewaniu maleńkich kapsułek wypełnionych izotopami wodoru, które stanowią paliwo dla reakcji termojądrowych. Pod wpływem ogromnego ciśnienia i temperatury zamienia się ono w plazmę. „W tak ekstremalnych warunkach mówimy o milionach stopni Kelvina i gigapaskalach ciśnienia. W ten sposób próbujemy symulować warunki panujące w Słońcu” – dodał Banerjee.

Polecamy: Fuzja jądrowa nadchodzi. Czy jesteśmy gotowi na jej problemy i wyzwania?

Niestabilność Rayleigha-Taylora

Jednym z problemów związanych z fuzją jest to, że plazma tworzy tzw. niestabilności hydrodynamiczne. Przykładem jest niestabilność Rayleigha-Taylora, która występuje, gdy materiały o różnej gęstości są poddawane przeciwstawnym siłom ciśnienia i grawitacji. Aby ją zbadać w kontrolowanym środowisku, zespół badawczy sięgnął po majonez.

Wykorzystując majonez, naukowcy mogli zbadać tę niestabilność bez potrzeby stosowania ekstremalnych temperatur i ciśnień, które są trudne do osiągnięcia i kontrolowania w warunkach laboratoryjnych. Zespół zbadał, w jaki sposób właściwości materiału, geometria perturbacji i szybkość przyspieszania materiałów wpływają na przejście między różnymi fazami niestabilności Rayleigha-Taylora. Znaleźli oni warunki, w których materiał powraca do swojego pierwotnego kształtu po zmniejszeniu ciśnienia.

Okazało się, że zwykły majonez pod wpływem ciśnienia zachowuje się jak tradycyjny stop metali, jednak po zmniejszeniu ciśnienia powraca do swojego pierwotnego kształtu.

Stabilny projekt kapsuły fuzyjnej

Dzięki badaniom naukowców z Uniwersytetu Lehigh możliwe będzie opóźnienie lub całkowite wyeliminowanie niestabilności plazmy w reaktorze termojądrowym. Utrzymanie gorącej plazmy jest niezwykle trudne. W kwietniu 2024 roku południowokoreańscy naukowcy pobili rekord – ich tokamak działał stabilnie przez 50 sekund, a w tym czasie plazma w jego wnętrzu osiągnęła temperaturę 100 milionów stopni Celsjusza.

Chociaż właściwości majonezu znacznie różnią się od właściwości plazmy wykorzystywanej w eksperymentach fuzyjnych, naukowcy uważają, że ich odkrycia można zastosować do szerokiej gamy materiałów.

Polecamy: Małe reaktory jądrowe będą zasilały sztuczną inteligencję? Nowy pomysł Microsoftu