Кто бы мог подумать, что обычный майонез поможет физикам в их стремлении обуздать сверхгорячую плазму, необходимую для ядерного синтеза?
Новое исследование, опубликованное в мае в журнале Physical Review E, описывает, как ученые помещали эту вкусную субстанцию в специальную машину и раскручивали ее, чтобы понять, при каких условиях она начинает течь.
“Мы выбрали майонез, потому что он ведет себя как твердое тело, но при воздействии градиента давления начинает течь”, – поясняет Ариндам Банерджи, ведущий автор исследования и инженер-механик из Университета Лихай в Пенсильвании.
Этот, казалось бы, странный эксперимент может пролить свет на физические процессы, происходящие при сверхвысоких температурах и давлениях внутри реакторов ядерного синтеза, без необходимости воссоздавать экстремальные условия.
Ядерный синтез – это процесс, при котором в недрах звезд гелий образуется из водорода. Теоретически, он может стать источником практически неограниченной чистой энергии на Земле, если реакция будет производить больше энергии, чем потребляет.
Однако это непростая задача. По данным NASA, в звездах синтез протекает при температуре 15 миллионов градусов Цельсия! И только мощнейшая гравитация звезды способна сблизить атомы водорода, преодолевая их естественное отталкивание. На Земле же у нас нет такого давления, поэтому созданные человеком реакторы должны работать в 10 раз горячее Солнца.
Для достижения этих невероятных температур ученые используют различные подходы, в том числе метод, называемый инерционным удержанием.
В этом методе крошечные гранулы газа – обычно смеси тяжелых изотопов водорода – замораживаются в металлических капсулах размером с горошину. Затем по этим гранулам стреляют лазерами, мгновенно нагревая газ до 222 миллионов градусов Цельсия и, в идеале, превращая его в плазму, где может произойти синтез.
К сожалению, водородный газ стремится расшириться, что приводит к взрыву расплавленного металла до того, как водород успевает вступить в реакцию синтеза. Этот взрыв происходит, когда металлическая капсула переходит в нестабильную фазу и начинает течь.
Команда Банерджи поняла, что расплавленный металл при более низких температурах ведет себя очень похоже на майонез: он может быть эластичным, то есть возвращать свою форму после деформации, пластичным, то есть сохранять деформацию, или текучим.
“Если надавить на майонез, он начнет деформироваться, но если убрать давление, он вернется к своей первоначальной форме”, – говорит Банерджи. – “То есть сначала идет эластичная фаза, затем – стабильная пластическая фаза. А следующая фаза – это когда он начинает течь, и вот тут-то и возникает нестабильность”.
В ходе исследования ученые помещали майонез в аппарат, который раскручивал эмульсию из яиц и масла до тех пор, пока она не начинала течь. Затем они определяли условия, при которых происходил переход между пластическим, эластичным и нестабильным состояниями.
“Мы обнаружили условия, при которых было возможно эластичное восстановление, и как его можно максимизировать, чтобы задержать или полностью подавить нестабильность”, – говорит Банерджи.
Исследование также позволило выявить условия, при которых можно получить больший выход энергии.
Конечно, майонез и сверхгорячие металлические капсулы во многом отличаются. Поэтому пока неясно, удастся ли применить полученные результаты к гранулам плазмы, нагретым до температур, во много раз превышающих температуру Солнца.
Читайте также: Ученые вплотную приблизились к термоядерной энергии, преодолев предел плотности в 10 раз
