Of je nu door een ster of een fusie-apparaat op aarde ritselt, de elektrisch geladen deeltjes die de vierde toestand van materie vormen, beter bekend als plasma, zijn gebonden aan magnetische veldlijnen als kralen aan een touwtje. Helaas voor plasmafysici die dit fenomeen bestuderen, de magnetische veldlijnen missen vaak eenvoudige vormen die vergelijkingen gemakkelijk kunnen modelleren. Vaak draaien en knopen ze als pretzels. Soms, wanneer de lijnen bijzonder verwrongen worden, ze breken uit elkaar en komen weer bij elkaar, het uitstoten van klodders plasma en enorme hoeveelheden energie.

Nutsvoorzieningen, bevindingen van een internationaal team van wetenschappers onder leiding van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) laten zien dat de verwrongen magnetische velden op slechts zoveel manieren kunnen evolueren, met het plasma erin volgens een algemene regel. Zolang er een hoge druk aan de buitenkant van het plasma naar binnen drukt, het plasma zal spontaan een donut aannemen, of torus, vorm en ballon uit in een horizontale richting. Echter, de uitzetting naar buiten wordt beperkt door de gemiddelde hoeveelheid verdraaiing in het plasma, een kwaliteit die bekend staat als 'helicity'.

"De heliciteit voorkomt dat de configuratie uit elkaar waait en dwingt het te evolueren naar dit zelfgeorganiseerde, gedraaide structuur, " zegt Christoffel Smiet, een natuurkundige bij PPPL en hoofdauteur van het artikel dat de resultaten rapporteert in de Journal of Plasma Physics .

De bevindingen zijn van toepassing op het hele spectrum van plasmafenomenen en kunnen inzicht geven in het gedrag van magnetische wolken, enorme massa's plasma uitgezonden door de zon die kunnen uitzetten en botsen met het eigen magnetische veld van de aarde. In milde vorm, de botsingen veroorzaken het noorderlicht. Als krachtig genoeg, deze botsingen kunnen de werking van satellieten verstoren en interfereren met mobiele telefoons, wereldwijde positioneringssystemen, en radio- en televisiesignalen.

"Omdat de effecten gedeeltelijk worden veroorzaakt door topologische eigenschappen zoals koppeling en verdraaiing die niet worden beïnvloed door vorm of grootte, de resultaten zijn zowel van toepassing op plasmapluimen van duizenden lichtjaren als centimeters lange structuren in aardgebonden fusiefaciliteiten, ' zegt Smit.

Bovendien, "door het magnetisch veld in dit meer algemene kader te bestuderen, we kunnen nieuwe dingen leren over de zelforganiserende processen binnen tokamaks en de instabiliteiten die hen belemmeren, ' zegt Smit.

Smiet's toekomstige onderzoeksplannen omvatten het onderzoeken van veranderingen in de koppeling en verbindingen van veldlijnen in tokamaks tijdens twee soorten plasma-instabiliteiten die fusiereacties kunnen belemmeren. "Het is fascinerend wat je kunt leren als je bestudeert hoe knopen ontrafelen, ' zegt Smit.

Het onderzoeksteam bestond uit wetenschappers van de Universiteit Leiden, het Nederlands Instituut voor Fundamenteel Energieonderzoek, en de Universiteit van Californië-Santa Barbara. Dit onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie (Fusion Energy Sciences) en het Rubicon-programma dat mede wordt gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek.