Wrijving in plasma wordt raar in de aanwezigheid van zeer sterke magnetische velden, heeft een team van plasmaonderzoekers van de Universiteit van Michigan aangetoond. De bevindingen kunnen van invloed zijn op fusie-energiestrategieën en de ontwikkeling van stralingsbronnen.

Het journaal Fysica van plasma's onlangs de bevinding geselecteerd, gemeld in een krant met de titel, "Een kinetisch model van wrijving in sterk gekoppelde sterk gemagnetiseerde plasma's, " als keuze van een redacteur. Scott Baalrud, een universitair hoofddocent nucleaire engineering en radiologische wetenschappen aan de UM en senior auteur van de studie, uitgelegd waarom het resultaat belangrijk is.

Waarom bestuderen hoe sterke magnetische velden plasma's beïnvloeden?

Een van de meest opwindende aspecten van wetenschap is om het onbekende te verkennen. De geschiedenis van de wetenschap geeft veel voorbeelden die laten zien hoe het verkennen van nieuwe regimes - kleine ruimteschalen, hoge energieschalen, zeer lage temperatuur, zeer hoge temperatuur, enzovoort - verbreedt ons begrip van de natuur en leidt ook tot nieuwe technologische toepassingen die mogelijk worden gemaakt door deze nieuwe regimes te begrijpen.

Plasma's zijn verzamelingen geladen deeltjes waarin sommige elektronen zijn gescheiden van de kernen van hun atomen. Veel van de nuttige toepassingen van plasma's, zoals fusie-energie en op plasma gebaseerde voortstuwing, gebruik maken van de mogelijkheid om plasma-eigenschappen te regelen door magnetische velden toe te passen. Dit is mogelijk omdat geladen deeltjes spiraalvormige banen maken in aanwezigheid van een magnetisch veld. Ze tekenen spiraalvormige patronen in de ruimte, zoals de vorm van een DNA-streng.

Gebruiken deze technologieën sterk gemagnetiseerd plasma?

Plasma's zijn bijna altijd zwak gemagnetiseerd in die zin dat de stralen van de spiralen die door de deeltjes worden getrokken veel groter zijn dan de schaal waarop de deeltjes interageren. Als gevolg hiervan, in wezen is de hele plasmatheorie gebaseerd op de veronderstelling dat het plasma zwak gemagnetiseerd is. Echter, het is heel goed mogelijk om plasma's te maken die sterk gemagnetiseerd zijn. Dit is een opwindend regime om te verkennen, omdat we niet weten wat we kunnen verwachten. Het enige dat we echt weten, is dat onze huidige theorieën daar niet van toepassing zijn - en dat het plasma zich op een fundamenteel andere manier zou moeten gedragen.

Hoe heb je plasma's in sterke magnetische velden onderzocht?

Met behulp van een combinatie van potlood- en papierwiskunde en supercomputersimulaties, Louis José, een afgestudeerde onderzoeksassistent in nucleaire engineering en radiologische wetenschappen, en ik ontwikkelde een nieuwe theorie om sterk gemagnetiseerde plasma's te beschrijven. Vervolgens, we hebben het toegepast om een ​​fundamentele eigenschap van elke stof te onderzoeken:wrijving. specifiek, we hebben de kracht berekend op een deeltje als het vertraagt ​​in een sterk gemagnetiseerd plasma. Ons typische begrip, gebaseerd op zwak gemagnetiseerde plasma's, is dat wrijving de snelheid van het deeltje tegenwerkt - met als gevolg dat de straal van de spiraal die het deeltje maakt kleiner wordt naarmate wrijving het vertraagt.

De nieuwe ontdekking is dat de wrijving ook werkt in richtingen loodrecht op de richting van het deeltje wanneer het achtergrondplasma sterk gemagnetiseerd is. Een van deze componenten verandert de straal van de spiraalbeweging, inclusief een niet-intuïtieve eigenschap dat wrijving onder bepaalde omstandigheden ertoe kan leiden dat de spiraal in de loop van de tijd groter wordt. Een andere component beïnvloedt de frequentie waarmee de spiraalbeweging plaatsvindt. Beide effecten treden alleen op bij sterke magnetisatie en zijn fundamentele veranderingen in het gedrag van een plasma.

Waarom is het belangrijk om dit nieuwe model te hebben?

Hoewel onze simulaties van de afgelopen jaren enkele van deze basiseigenschappen hebben aangetoond, simulaties kunnen weinig inzicht geven in waarom, of zelfs hoe, deze effecten ontstaan. Het nieuwe theoretische model stelt ons in staat om de fysica te begrijpen die verantwoordelijk is voor het gedrag dat in de simulaties wordt waargenomen. Verder, de simulaties nemen een grote hoeveelheid rekenkracht in beslag. We kunnen slechts een beperkt aantal eigenschappen simuleren, in een beperkt aantal omstandigheden.

Simulaties zijn belangrijk omdat ze basisgegevens opleveren om de theorie mee te toetsen. Maar de theorie stelt ons in staat om het gedrag van plasma's in experimentele omstandigheden te modelleren, en het stelt ons ook in staat om eigenschappen van sterk gemagnetiseerde plasma's te berekenen die de simulaties niet kunnen bieden.

Hoe kunnen uw bevindingen worden gebruikt in de echte wereld?

Het is vooral verkennend onderzoek. Omdat sterke magnetisatie de manier waarop deeltjes verandert, warmte, en momentum worden overgedragen via een plasma, het kan worden gebruikt om fusie-energieconcepten te verbeteren, stralingsbronnen, of waarschijnlijker, iets bedenken waar we nog niet aan hebben gedacht.