Lasery mogą błyskawicznie podgrzać materię tak, jak w Słońcu

Rozwiązanie, które pozwala podgrzać niektóre rodzaje materii do 10 mln stopni w czasie krótszym niż milionowa milionowej części sekundy, opracowali fizycy teoretyczni z Imperial College London (ICL).

Proponowany przez nich mechanizm może znaleźć zastosowanie w pracach dotyczących uzyskiwania energii z reakcji termojądrowej (czy też fuzji jądrowej). Zajmujący się tym naukowcy starają się odtworzyć procesy takie same jak te, które przebiegają wewnątrz Słońca, by wykorzystać je do produkcji czystej energii.

Reakcja termojądrowa (zwana też syntezą lub fuzją jądrową) to zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe. W wyniku reakcji wydzielana jest energia, która zostaje rozproszona na otaczających atomach, i przekształca się w energię cieplną. Procesy takie zachodzą w bardzo wysokiej temperaturze (np. panującej wewnątrz gwiazd). Można je też sprowokować, rozpędzając cząstki w akceleratorach. Temperatura lub ogromna prędkość jest niezbędna do tego, by normalnie odpychające się jądra atomowe zbliżyły się na tyle, by mogło dojść do ich złączenia.

Rozpędzenie lub rozgrzanie atomów wymaga ogromnego nakładu energii. Dlatego produkcja energii z reakcji termojądrowej wciąż pozostaje nieopłacalna.

Naukowcy w największych ośrodkach naukowych szukają jednak sposobów, by problem przezwyciężyć. Próbują na przykład ogrzewać materię za pomocą potężnych laserów.

Zwykle, gdy za ich pomocą podgrzewa się materiały, najpierw ogrzewane są elektrony, które przekazują energię dalej i ogrzewają jony - nieobojętne elektrycznie atomy, stanowiące budulec większości materii.

Taki proces jest jednak wolniejszy, niż gdyby jony były namierzane i podgrzewane bezpośrednio.

Takie właśnie rozwiązanie proponują fizycy z Imperial College London. Odkryli oni, że gdy wiązka lasera o dużej mocy zostaje wymierzona w konkretny rodzaj materiału, powstaje elektrostatyczna fala uderzeniowa, która bezpośrednio ogrzewa jony. Wyniki swojej pracy przedstawili w "Nature Communications".

"To całkowicie niespodziewany efekt. Jeden z problemów w badaniach nad fuzją polegał na tym, by energia lasera trafiła w odpowiednie miejsce i we właściwym czasie. Ta metoda kieruje energię wprost na jony" - mówi główny autor badania, dr Arthur Turrell.

Jak tłumaczą, w zwykłej sytuacji związana z pracą lasera elektrostatyczna fala uderzeniowa popycha jony znajdujące się na drodze laserowej wiązki. W efekcie jony przyspieszają, ale nie zostają ogrzane.

Korzystając z bardzo zaawansowanego modelowania komputerowego naukowcy odkryli jednak, że jeśli materiał zawiera specjalne kombinacje jonów, wówczas fala uderzeniowa przyspiesza je z różnymi prędkościami. To powoduje tarcie, a to z kolei - gwałtowne ogrzewanie się jonów.

Według autorów publikacji efekt ten może być najsilniejszy w ciałach stałych zbudowanych przez dwa rodzaje jonów (takich jak plastiki).

"Dwa rodzaje jonów działają jak zapałki i draska; potrzebujesz ich obu" - tłumaczy inny autor badania, dr Mark Sherlock z Wydziału Fizyki w ICL. "Nawet pęczek zapałek nie zapłonie sam z siebie. Potrzebujesz tarcia, które uzyskujesz, pocierając je o draskę na pudełku".

Prof. Steven Rose z ICL dodaje, że w materiałach posiadających tylko jeden typ jonów ten efekt kompletnie zanika.

Jony ogrzewają się szybko po części dlatego, że materiał stanowiący cel dla lasera jest bardzo gęsty. Jony są tam upakowane niemal 10 razy gęściej, niż zwykle w ciałach stałych. Kiedy przechodzi przez nie uderzeniowa fala elektrostatyczna, efekt tarcia jest o wiele silniejszy, niż w materiałach mniej gęstych (np. w gazie).

Rozwiązanie zaprezentowane przez fizyków z ICL to opracowanie wyłącznie teoretyczne. Jeśli fizycy doświadczalni zdołają je wykorzystać w laboratorium - może się okazać, że technika pozwoli na rekordowo szybkie podgrzanie materii, zbudowanej z dużej liczby cząstek.

"Do szybszych zmian temperatury dochodzi wtedy, kiedy atomy zderzają się ze sobą w akceleratorach, np. Large Hadron Collider. Ale te zderzenia zachodzą pomiędzy pojedynczymi parami cząstek" - mówi dr Turrell. - "Natomiast proponowana przez nas technika może być wykorzystana w różnych instalacjach laserowych na całym świecie do podgrzewania materiałów o gęstości ciała stałego". (PAP)

zan/ krf/