Genskaber plasmasystemer i det ydre rum i laboratoriet

Termodynamik giver indsigt i et systems indre energi og energiinteraktionen med dets omgivelser. Dette afhænger af den lokale termiske ligevægt i et system. Anvendelsen af ​​klassisk termodynamik på systemer i uligevægt er udfordrende. Disse omfatter granulatgas og materialer, hård kuglepakning i 3-D, og plasmasystemer.

Ekspansionen af ​​en gas uden elektrisk ladning er typisk blevet undersøgt ved hjælp af traditionel termodynamik. Eksperimenter med simple gasser kan let udføres i laboratorier, der henviser til, at de involverer gasformige plasmaer af astrofysisk og solmæssig interesse udgør en række vanskeligheder. Observationer nær solen og i Jordens kredsløb er blevet fortolket som en demonstration af, at solvind ikke udvider sig adiabatisk fra solen, som man kunne forvente for dette nærmest kollisionsfrie miljø. Hellere, det udvider isotermisk, hvilket betyder, at opvarmning af plasmaet sker, når det formerer sig gennem interplanetarisk rum.

Mange laboratoriebaserede eksperimenter under adiabatiske forhold har også vist en næsten isotermisk ekspansion i magnetiske dyser og forholdet til astrofysiske plasmaer. Imidlertid, i disse ekspanderende adiabatiske systemer, det ser ud til, at elektriske felter kan have en betydelig effekt på elektronernes dynamik, og et meget stærkt elektrisk felt, der fanger elektronerne, dannes normalt ved plasma-væggrænsen i laboratorieplasmaer. Så hvad ville der ske, hvis der ikke var elektriske felter, der fangede elektronerne?

Forskere fra Tohoku University og Australian National University har undersøgt plasmas energitilstand, når det interagerer med magnetiske og elektriske felter [Fig1]. Undersøgelsen har konsekvenser for forståelsen af ​​magnetiske dyseplasma -thrustere, der bruges til at drive rumfartøjer, da energiomdannelse er den væsentlige proces for at bestemme thrusterens ydeevne.

I et laboratorium på Tohoku University, forskere Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell og Akira Ando har udført et specialdesignet eksperiment, hvor de fjernede de elektriske feltindfangende elektroner i systemet, hvilket resulterer i, at elektronerne udelukkende interagerer med det ekspanderende magnetfelt. De eksperimentelle resultater viser den faldende elektrontemperatur langs ekspansionen, efter en næsten perfekt adiabatisk ekspansion af en elektrongas ved fjernelse af de elektriske felter fra systemet.

Når man husker termodynamikkens første lov, der er i øjeblikket ingen varmeoverførsel, men der skal arbejdes på væggene omkring systemet for at sænke dets indre energi. Det ekspanderende magnetfelt er ikke en fysisk grænse, så der overføres ikke varme. Når de elektriske felter i plasmaet fjernes, ingen af ​​elektronerne er fanget i plasmasystemet, forlader elektronerne frie til at interagere med den begrænsende magnetiske væg - plasmakraften virker på den magnetiske grænse. Denne trykstyrke kan også forstås som en Lorentz -kraft, der genereres til at drive et rumskib i en magnetisk dyseplasma -thruster.

Derfor, faldet i elektrontemperaturen langs ekspansionen skyldes, at den interne energi i dette adiabatiske system sænkes, idet elektrongassen arbejder på det ekspanderende magnetfelt. Dette indebærer, at klassiske termodynamiske principper kan udvides til ekspansion af en kollisionsfri elektrongas, være langt fra ligevægt, i en magnetisk dyse.

Ved at fjerne plasma-væggrænsen i deres laboratorieplasma og derved fjerne det tilsvarende elektriske felt og elektronfangning, forskerne gengav de grænsefrie forhold i rummet. Resultaterne giver ny indsigt i plasmatermodynamik og teknologi, der kan anvendes inden for rumfysik og udvikling af plasmadrift. Yderligere detaljerede forsøg er planlagt. Avisen blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .