Elektrische stroom is overal, van het voeden van huizen tot het beheersen van het plasma dat fusiereacties voedt tot mogelijk het ontstaan ​​van enorme kosmische magnetische velden. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben ontdekt dat elektrische stromen kunnen ontstaan ​​op manieren die voorheen niet bekend waren. De nieuwe bevindingen zouden onderzoekers een groter vermogen kunnen geven om de fusie-energie te brengen die de zon en de sterren naar de aarde drijft.

"Het is erg belangrijk om te begrijpen welke processen elektrische stromen in plasma produceren en welke verschijnselen deze kunnen verstoren, " zei Ian Ochs, afgestudeerde student aan Princeton University's Program in Plasma Physics en hoofdauteur van een paper geselecteerd als een uitgelicht artikel in Fysica van plasma's . "Ze zijn het belangrijkste hulpmiddel dat we gebruiken om plasma te controleren bij onderzoek naar magnetische fusie."

Fusie is het proces dat lichte elementen samensmelt in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, die enorme hoeveelheden energie genereren. Wetenschappers proberen fusie na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

De onverwachte stromen ontstaan ​​in het plasma in donutvormige fusiefaciliteiten die bekend staan ​​​​als tokamaks. De stromen ontstaan ​​wanneer een bepaald type elektromagnetische golf, zoals die radio's en magnetrons uitzenden, spontaan ontstaat. Deze golven duwen enkele van de reeds bewegende elektronen, "die de golf berijden als surfers op een surfplank, ' zei Ochs.

Maar de frequenties van deze golven zijn van belang. Als de frequentie hoog is, de golf zorgt ervoor dat sommige elektronen vooruit gaan en andere achteruit. De twee bewegingen heffen elkaar op en er treedt geen stroom op.

Echter, wanneer de frequentie laag is, de golven duwen vooruit op de elektronen en achteruit op de atoomkernen, of ionen, waardoor er toch een netto elektrische stroom ontstaat. Ochs ontdekte dat onderzoekers deze stromen verrassend konden creëren wanneer de laagfrequente golf een bepaald type was, een "ion-akoestische golf" genaamd, die lijkt op geluidsgolven in de lucht.

De betekenis van deze bevinding strekt zich uit van de relatief kleine schaal van het laboratorium tot de enorme schaal van de kosmos. "Er zijn magnetische velden in het hele universum op verschillende schalen, inclusief de grootte van sterrenstelsels, en we weten niet echt hoe ze daar kwamen, " zei Ochs. "Het mechanisme dat we ontdekten had kunnen helpen om kosmische magnetische velden te zaaien, en alle nieuwe mechanismen die magnetische velden kunnen produceren, zijn interessant voor de astrofysische gemeenschap."

De resultaten van de potlood-en-papierberekeningen bestaan ​​uit wiskundige uitdrukkingen die wetenschappers in staat stellen te berekenen hoe deze stromen, die optreden zonder directe interactie van elektronen, ontwikkelen en groeien. "De formulering van deze uitdrukkingen was niet eenvoudig, " zei Ochs. "We moesten de bevindingen samenvatten zodat ze voldoende duidelijk zouden zijn en eenvoudige uitdrukkingen zouden gebruiken om de belangrijkste fysica vast te leggen."

De resultaten verdiepen het begrip van een fundamenteel fysiek fenomeen en waren ook onverwacht. Ze lijken in tegenspraak te zijn met het conventionele idee dat huidige aandrijvingen elektronenbotsingen vereisen, zei Och.

"De vraag of golven enige stroom in plasma kunnen aandrijven is eigenlijk heel diep en gaat naar de fundamentele interacties van golven in plasma, " zei Nathaniel Fisch, een co-auteur van het papier, hoogleraar en universitair hoofddocent van het departement Astrofysische Wetenschappen, en directeur van het programma in plasmafysica. "Wat Ochs meesterlijk heeft afgeleid, didactische mode, met wiskundige nauwkeurigheid, was niet alleen hoe deze effecten soms in evenwicht zijn, maar ook hoe deze effecten soms samenspannen om de vorming van netto elektrische stromen mogelijk te maken."

Deze bevindingen leggen de basis voor toekomstig onderzoek. "Wat mij vooral opwindt, " zei Fisch, "is dat het wiskundige formalisme dat Ochs heeft opgebouwd, samen met de fysieke intuïties en inzichten die hij heeft verworven, plaatste hem nu in een positie om het gedrag van golven met resonerende deeltjes in plasma uit te dagen of een stevig fundament te leggen."