συσκευή σχήματος οκτώ. Περιέγραψαν τα πιο πρόσφατα ευρήματά τους σε μια νέα εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review E με στόχο την αύξηση των ενεργειακών αποδόσεων από τη σύντηξη.
Όπως αναφέρει το arstechnica.com, η εργασία βασίζεται σε προηγούμενη έρευνα στο εργαστήριο Lehigh του μηχανολόγου μηχανικού Arindam Banerjee, ο οποίος επικεντρώνεται στη διερεύνηση της δυναμικής των ρευστών και άλλων υλικών σε απόκριση σε εξαιρετικά υψηλές επιταχύνσεις και φυγόκεντρες δυνάμεις. Σε αυτή την περίπτωση, η ομάδα του διερευνούσε αυτό που είναι γνωστό ως "κατώφλι αστάθειας" των ελαστικών/πλαστικών υλικών. Οι επιστήμονες έχουν συζητήσει αν αυτό προκύπτει λόγω των αρχικών συνθηκών ή αν είναι αποτέλεσμα "πιο τοπικών καταστροφικών διαδικασιών", σύμφωνα με τον Banerjee. Το ερώτημα είναι σχετικό με διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της γεωφυσικής, της αστροφυσικής, της εκρηκτικής συγκόλλησης και ναι, της σύντηξης αδρανειακής περιορισμού.
Πώς ακριβώς λειτουργεί η σύντηξη αδρανειακής περιορισμού; Όπως εξήγησε ο Chris Lee στο Ars το 2016:
Η ιδέα πίσω από τη σύντηξη αδρανειακής περιορισμού είναι απλή. Για να κάνετε δύο άτομα να συντηρηθούν μεταξύ τους, πρέπει να φέρετε τους πυρήνες τους σε επαφή μεταξύ τους. Και οι δύο πυρήνες είναι θετικά φορτισμένοι, οπότε απωθούνται μεταξύ τους, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζεται δύναμη για να πειστούν δύο πυρήνες υδρογόνου να έρθουν σε επαφή. Σε μια βόμβα υδρογόνου, η δύναμη παράγεται όταν μια μικρή βόμβα σχάσης εκρήγνυται, συμπιέζοντας έναν πυρήνα υδρογόνου. Αυτό συντήκεται για να δημιουργήσει βαρύτερα στοιχεία, απελευθερώνοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας.
Ως μη φονιάδες, οι επιστήμονες προτιμούν να μην πυροδοτούν πυρηνικά όπλα κάθε φορά που θέλουν να μελετήσουν τη σύντηξη ή να τη χρησιμοποιήσουν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό μας φέρνει στη σύντηξη αδρανειακής περιορισμού. Στη σύντηξη αδρανειακού περιορισμού, ο πυρήνας υδρογόνου αποτελείται από ένα σφαιρικό σφαιρίδιο πάγου υδρογόνου μέσα σε ένα βαρύ μεταλλικό περίβλημα. Το περίβλημα φωτίζεται από ισχυρά λέιζερ, τα οποία καίνε ένα μεγάλο μέρος του υλικού. Η δύναμη αντίδρασης από το εξατμισμένο υλικό που εκρήγνυται προς τα έξω προκαλεί την εμφυσή του εναπομείναντος κελύφους. Το προκύπτον ωστικό κύμα συμπιέζει το κέντρο του πυρήνα του σφαιριδίου υδρογόνου έτσι ώστε να αρχίσει να τήκεται.
Αν η σύντηξη περιορισμού τελείωνε εκεί, η ποσότητα ενέργειας που θα απελευθερωνόταν θα ήταν ελάχιστη. Αλλά η ενέργεια που απελευθερώνεται λόγω της αρχικής καύσης της σύντηξης στο κέντρο παράγει αρκετή θερμότητα ώστε το υδρογόνο στο εξωτερικό του σφαιριδίου να φτάσει στην απαιτούμενη θερμοκρασία και πίεση. Έτσι, στο τέλος (τουλάχιστον στα υπολογιστικά μοντέλα), όλο το υδρογόνο καταναλώνεται σε έναν πύρινο θάνατο και απελευθερώνονται τεράστιες ποσότητες ενέργειας.
Αυτή είναι τουλάχιστον η ιδέα. Το πρόβλημα είναι ότι οι υδροδυναμικές αστάθειες τείνουν να σχηματίζονται στην κατάσταση του πλάσματος - ο Banerjee το παρομοιάζει με "δύο υλικά [που] διαπερνούν το ένα το άλλο σαν δάχτυλα" παρουσία βαρύτητας ή οποιουδήποτε επιταχυνόμενου πεδίου - γεγονός που με τη σειρά του μειώνει την ενεργειακή απόδοση. Ο τεχνικός όρος είναι αστάθεια Rayleigh-Taylor, η οποία εμφανίζεται μεταξύ δύο υλικών διαφορετικής πυκνότητας, όπου οι κλίσεις πυκνότητας και πίεσης κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η μαγιονέζα αποδεικνύεται ένα εξαιρετικό ανάλογο για τη διερεύνηση αυτής της αστάθειας σε επιταχυνόμενα στερεά, χωρίς να χρειάζεται εργαστηριακή διάταξη με συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, επειδή είναι ένα μη-νευτωνιανό ρευστό.
"Χρησιμοποιούμε τη μαγιονέζα επειδή συμπεριφέρεται σαν στερεό, αλλά όταν υποβάλλεται σε κλίση πίεσης, αρχίζει να ρέει", δήλωσε ο Banerjee. "Όπως και με ένα παραδοσιακό λιωμένο μέταλλο, αν ασκήσετε πίεση στη μαγιονέζα, θα αρχίσει να παραμορφώνεται, αλλά αν αφαιρέσετε την πίεση, επιστρέφει στο αρχικό της σχήμα. Έτσι, υπάρχει μια ελαστική φάση που ακολουθείται από μια σταθερή πλαστική φάση. Η επόμενη φάση είναι όταν αρχίζει να ρέει, και εκεί αρχίζει η αστάθεια".
Τα πειράματα της ομάδας του το 2019 περιλάμβαναν τη ρίψη πραγματικής μαγιονέζας Hellman's σε ένα δοχείο από πλεξιγκλάς και στη συνέχεια τη δημιουργία κυματοειδών διαταραχών στη μαγιονέζα. Ένα πείραμα περιελάμβανε την τοποθέτηση του δοχείου σε έναν περιστρεφόμενο τροχό σε σχήμα οκτώ και την παρακολούθηση του υλικού με μια κάμερα υψηλής ταχύτητας, χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο επεξεργασίας εικόνας για την ανάλυση του υλικού. Τα αποτελέσματά τους υποστήριξαν τον ισχυρισμό ότι το όριο αστάθειας εξαρτάται από τις αρχικές συνθήκες, δηλαδή το πλάτος και το μήκος κύματος.
Αυτή η τελευταία δημοσίευση ρίχνει περισσότερο φως στη δομική ακεραιότητα των καψουλών σύντηξης που χρησιμοποιούνται στη σύντηξη αδρανειακής περιορισμού, εξετάζοντας προσεκτικότερα τις ιδιότητες των υλικών, τις συνθήκες πλάτους και μήκους κύματος και τον ρυθμό επιτάχυνσης των υλικών αυτών καθώς φτάνουν στο κατώφλι αστάθειας Rayleigh-Taylor. Όσο περισσότερα γνωρίζουν οι επιστήμονες για τη μετάβαση φάσης από την ελαστική στη σταθερή φάση, τόσο καλύτερα μπορούν να ελέγχουν τις συνθήκες και να διατηρούν είτε μια ελαστική είτε μια πλαστική φάση, αποφεύγοντας την αστάθεια. Οι Banerjee κ.ά. κατάφεραν να προσδιορίσουν τις συνθήκες για τη διατήρηση της ελαστικής φάσης, οι οποίες θα μπορούσαν να δώσουν πληροφορίες για το σχεδιασμό μελλοντικών σφαιριδίων για τη σύντηξη αδρανειακής περιορισμού.
Τούτου λεχθέντος, τα πειράματα με τη μαγιονέζα είναι ένα ανάλογο, που απέχει τάξεις μεγέθους από τις πραγματικές συνθήκες της πυρηνικής σύντηξης, κάτι που αναγνωρίζει εύκολα ο Banerjee. Παρ' όλα αυτά ελπίζει ότι η μελλοντική έρευνα θα βελτιώσει την προβλεψιμότητα του τι ακριβώς συμβαίνει μέσα στα σφαιρίδια σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. "Είμαστε άλλο ένα γρανάζι σε αυτόν τον γιγαντιαίο τροχό των ερευνητών", δήλωσε. "Και όλοι μας εργαζόμαστε για να κάνουμε την αδρανειακή σύντηξη φθηνότερη και, επομένως, εφικτή".