Badanie, które rzuca nowe światło i nieoczekiwana rekoneksja
Kluczowy eksperyment polegał na wytworzeniu dwóch wirów strumienia plazmy w trójwymiarowej konfiguracji. Następnie wystrzeliwano wiązki elektronów wzdłuż linii pola magnetycznego. Istotny okazał się parametr prędkości, ponieważ elektrony poruszały się z prędkością około 16 milionów metrów na sekundę, co stanowiło blisko 40-krotność prędkości Alfvéna w tym środowisku.
Turbulencje, które zaczynają się na poziomie cząsteczkowym, mogą bezpośrednio zmieniać wielkoskalową równowagę układu plazmowego — wyjaśnia zespół badawczy z Uniwersytetu Narodowego w Seulu
Czytaj też: Fizycy dokonali tego w temperaturze pokojowej. Ich sukces zmieni naukę
Obserwacje przyniosły zaskakujące efekty. Mikroturbulencje doprowadziły do rekoneksji magnetycznej, czyli zjawiska, w którym linie pola magnetycznego ulegają rekonfiguracji, przekształcając energię magnetyczną w cieplną. Szczególnie interesujące było odkrycie trójwymiarowej rekoneksji magnetycznej napędzanej turbulencjami w reżimie kinetycznym, co odróżnia ją od znanych wcześniej mechanizmów magnetohydrodynamicznych. Dane spektralne ujawniły wyraźną zmianę charakteru turbulencji w zależności od skali. Dla niższych częstotliwości (większe skale) indeks spektralny wynosił około -5/3 i był typowy dla turbulencji magnetohydrodynamicznych. Przy wyższych częstotliwościach (skale subjonowe) wartość zmieniała się do około -8/3, charakterystycznej dla turbulencji kinetycznych. Punkt przejścia zlokalizowano w okolicy częstotliwości cyklotronowej jonów, wynoszącej 59 kHz.
Potwierdzenie w świecie cyfrowym. Jakie są perspektywy z punktu widzenia energetyki?
Wyniki uzyskane w laboratorium poddano weryfikacji za pomocą symulacji komputerowych. Trójwymiarowe symulacje metodą “cząstki w komórce” przy użyciu SMILEI odtworzyły kluczowe elementy eksperymentu. Co ciekawe, gdy w symulacji zmniejszono prędkość dryfu elektronów poniżej prędkości Alfvéna, wiry strumienia pozostawały stabilne. Dopiero przekroczenie tej wartości prowadziło do ich łączenia. Wyglądało to identycznie jak w rzeczywistych warunkach. Odkrycie może mieć praktyczne konsekwencje, które uwidocznią się w codziennym życiu. W energetyce fuzyjnej głównym wyzwaniem pozostaje utrzymanie stabilnej plazmy przez wystarczająco długi czas. Lepsze zrozumienie mechanizmów sprzężenia między mikro- i makroskalą może pomóc w rozwiązaniu tego problemu.
Czytaj też: Chińczycy pokonali największą przeszkodę superszybkich pociągów. Technologia broni palnej ratuje maglevy
Jak dodają sami zainteresowani, kontrolowanie plazmy jest wymogiem do utrzymania reakcji fuzyjnej, a wiedza o tym, jak turbulencje mogą powodować wielkoskalowe zmiany, może posłużyć do opracowania strategii utrzymania stabilnego stanu. Z punktu widzenia astrofizyki obserwacje te rzucają nowe światło na kosmiczne zjawiska energetyczne. Mechanizm sprzężenia wieloskalowego pomaga wyjaśnić procesy zachodzące podczas rozbłysków słonecznych czy burz geomagnetycznych. Oczywiście teoria swoje, a rzeczywistość swoje. Ta ostatnia jest jak na razie nieubłagana: każde laboratorium fuzyjne wciąż zużywa więcej energii niż produkuje. Niemniej każdy krok w lepszym zrozumieniu plazmy przybliża nas do momentu, w którym fuzja jądrowa może stać się realnym źródłem energii. Koreański eksperyment otwiera nowy rozdział w badaniach, lecz na praktyczne efekty przyjdzie nam jeszcze poczekać.