Arindam Banerjee, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en mechanica aan de Lehigh University, bestudeert de dynamiek van materialen in extreme omgevingen. Hij en zijn team hebben verschillende apparaten gebouwd om de dynamiek van vloeistoffen en andere materialen onder invloed van hoge versnelling en middelpuntvliedende kracht effectief te onderzoeken.

Een aandachtsgebied is de instabiliteit van Rayleigh-Taylor, die optreedt tussen materialen met verschillende dichtheden wanneer de dichtheids- en drukgradiënten in tegengestelde richtingen zijn, waardoor een onstabiele gelaagdheid ontstaat.

"In de aanwezigheid van zwaartekracht - of een versnellend veld - dringen de twee materialen elkaar binnen als 'vingers, ', zegt Banerjee.

Volgens Banerjee, het begrip van de instabiliteit beperkt zich meestal tot vloeistoffen (vloeistoffen of gassen). Er is niet veel bekend over de evolutie van de instabiliteit in versnelde vaste stoffen. De korte tijdschalen en grote meetonzekerheden van versnelde vaste stoffen maken het onderzoeken van dit soort materiaal zeer uitdagend.

Banerjee en zijn team zijn erin geslaagd het grensvlak tussen een elastisch plastic materiaal en een licht materiaal onder versnelling te karakteriseren. Ze ontdekten dat het begin van de instabiliteit - of "instabiliteitsdrempel" - verband hield met de grootte van de amplitude (verstoring) en golflengte (afstand tussen toppen van een golf) die werd toegepast. Hun resultaten toonden aan dat voor zowel tweedimensionale als driedimensionale verstoringen (of bewegingen) een afname van de initiële amplitude en golflengte een stabielere interface produceerde, waardoor de versnelling die nodig is voor instabiliteit toeneemt.

Deze resultaten worden beschreven in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordeling E genaamd "Rayleigh-Taylor-instabiliteitsexperimenten met elastische plastic materialen." Naast Banerjee, co-auteurs zijn onder meer Rinosh Polavarapu (een huidige PhD-student) en Pamela Roach (een voormalige MS-student) in de groep van Banerjee.

"Er is een voortdurend debat gaande in de wetenschappelijke gemeenschap over de vraag of de groei van instabiliteit een functie is van de initiële omstandigheden of een meer lokaal catastrofaal proces, ", zegt Banerjee. "Onze experimenten bevestigen de eerdere conclusie:dat interfacegroei sterk afhankelijk is van de keuze van de initiële omstandigheden, zoals amplitude en golflengte."

Bij de experimenten. Hellman's Real Mayonaise werd in een plexiglas container gegoten. Verschillende golfachtige verstoringen werden gevormd op de mayonaise en het monster werd vervolgens versneld op een draaiend wielexperiment. De groei van het materiaal werd gevolgd met een hogesnelheidscamera (500 fps). Een beeldverwerkingsalgoritme, geschreven in Matlab, werd vervolgens toegepast om verschillende parameters te berekenen die verband houden met de instabiliteit. Voor het effect van amplitude, de beginomstandigheden varieerden van w/60 tot w/10 terwijl de golflengte werd gevarieerd van w/4 tot w om het effect van de golflengte te bestuderen ("w" staat voor de grootte van de breedte van de container). Experimentele groeisnelheden voor verschillende golflengte- en amplitudecombinaties werden vervolgens vergeleken met bestaande analytische modellen voor dergelijke stromingen.

Dit werk stelt onderzoekers in staat om zowel de elastisch-plastische als de instabiliteitsevolutie van het materiaal te visualiseren, terwijl ze een nuttige database voor ontwikkeling bieden, geldigmaking, en verificatie van modellen van dergelijke stromen, zegt Banerjee.

Hij voegt eraan toe dat het nieuwe begrip van de "instabiliteitsdrempel" van elastisch-plastisch materiaal onder versnelling van waarde zou kunnen zijn bij het helpen oplossen van uitdagingen in de geofysica, astrofysica, industriële processen zoals explosief lassen, en fysische problemen met hoge energiedichtheid in verband met fusie van traagheidsopsluiting.

De hydrodynamica van traagheidsopsluiting begrijpen

Banerjee werkt aan een van de meest veelbelovende methoden om kernfusie te bereiken, genaamd inertiële opsluiting. In de VS, de twee belangrijkste laboratoria voor dit onderzoek zijn de National Ignition Facility in het Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Californië - het grootste operationele fusie-experiment met traagheidsopsluiting in de VS - en het Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Banerjee werkt met beide. Hij en zijn team proberen de fundamentele hydrodynamica van de fusiereactie te begrijpen, evenals de fysica.

In inertiële opsluiting experimenten, het gas (waterstofisotopen, zoals bij magnetische fusie) wordt ingevroren in metalen pellets ter grootte van een erwt. De pellets worden in een kamer geplaatst en vervolgens geraakt met krachtige lasers die het gas comprimeren en opwarmen tot een paar miljoen Kelvin - ongeveer 400 miljoen graden Fahrenheit - om de voorwaarden voor fusie te creëren.

De massale overdracht van warmte, wat in nanoseconden gebeurt, smelt het metaal. Onder enorme compressie, het gas binnenin wil naar buiten barsten, wat een ongewenst resultaat veroorzaakt:de capsule explodeert voordat fusie kan worden bereikt. Een manier om deze dynamiek te begrijpen, legt Banerjee uit, is om je voor te stellen dat een ballon wordt samengedrukt.

"Terwijl de ballon samendrukt, de lucht binnenin duwt tegen het materiaal dat het opsluit, proberen te verhuizen, " zegt Banerjee. "Op een gegeven moment, de ballon zal barsten onder druk. Hetzelfde gebeurt in een fusiecapsule. De vermenging van het gas en het gesmolten metaal veroorzaakt een explosie."

Om vermenging te voorkomen, voegt Banerjee toe, je moet in de eerste plaats begrijpen hoe het gesmolten metaal en het verwarmde gas zich vermengen.

Om dit te doen, zijn groep voert experimenten uit die de omstandigheden van traagheidsopsluiting nabootsen, het isoleren van de fysica door het verwijderen van de temperatuurgradiënt en de kernreacties.

Banerjee en zijn team hebben meer dan vier jaar besteed aan het bouwen van een apparaat speciaal voor deze experimenten. Gehuisvest op de eerste verdieping van Lehigh's Packard Laboratory, het experiment is het enige in zijn soort ter wereld, omdat het het mengen van twee vloeistoffen kan bestuderen onder omstandigheden die relevant zijn voor die in fusie met traagheidsopsluiting. State-of-the-art apparatuur is ook beschikbaar voor het diagnosticeren van de stroming. De projecten worden gefinancierd door het ministerie van Energie, Los Alamos National Laboratory en de National Science Foundation.

Een van de manieren waarop onderzoekers zoals Banerjee het gesmolten metaal nabootsen, is door mayonaise te gebruiken. De materiaaleigenschappen en dynamiek van het metaal bij hoge temperatuur lijken veel op die van mayonaise bij lage temperatuur, hij zegt.

Het apparaat van het team bootst de ongelooflijke snelheid na waarmee het gas en het gesmolten metaal zich vermengen. Ze verzamelen gegevens van de experimenten die ze uitvoeren en voeren deze vervolgens in een model dat wordt ontwikkeld in Los Alamos National Lab.

"Ze hebben een heel ingewikkeld probleem genomen en het in zes of zeven kleinere problemen geïsoleerd, " legt Banerjee uit. "Er zijn materiaalwetenschappers die aan bepaalde aspecten van het probleem werken; er zijn onderzoekers zoals ik die gefocust zijn op de stromingsleer - allemaal in verschillende modellen die in de toekomst zullen worden gecombineerd."