Forskere finder uventet elektrisk strøm, der kan stabilisere fusionsreaktioner

Elektrisk strøm er overalt, fra at forsyne boliger med at kontrollere plasmaet, der giver næring til fusionsreaktioner, til muligvis at give anledning til enorme kosmiske magnetfelter. Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fundet ud af, at elektriske strømme kan dannes på måder, som ikke tidligere har været kendt. De nye resultater kunne give forskere større evne til at bringe fusionsenergien, der driver solen og stjernerne til Jorden.

"Det er meget vigtigt at forstå, hvilke processer der producerer elektriske strømme i plasma, og hvilke fænomener der kan forstyrre dem, " sagde Ian Ochs, kandidatstuderende ved Princeton Universitys program i plasmafysik og hovedforfatter på et papir udvalgt som en fremhævet artikel i Plasmas fysik . "De er det primære værktøj, vi bruger til at kontrollere plasma i magnetisk fusionsforskning."

Fusion er den proces, der smadrer lette elementer sammen i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - genererer enorme mængder energi. Forskere søger at kopiere fusion til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

De uventede strømme opstår i plasmaet i doughnut-formede fusionsfaciliteter kendt som tokamaks. Strømmene udvikler sig, når en bestemt type elektromagnetisk bølge, som dem, radioer og mikrobølgeovne udsender, dannes spontant. Disse bølger skubber nogle af de allerede bevægende elektroner, "der rider på bølgen som surfere på et surfbræt, sagde Ochs.

Men frekvenserne af disse bølger betyder noget. Når frekvensen er høj, bølgen får nogle elektroner til at bevæge sig fremad og andre bagud. De to bevægelser ophæver hinanden, og der opstår ingen strøm.

Imidlertid, når frekvensen er lav, bølgerne skubber fremad på elektronerne og bagud på atomkernerne, eller ioner, skabe en netto elektrisk strøm trods alt. Ochs fandt ud af, at forskere overraskende kunne skabe disse strømme, når lavfrekvente bølger var en særlig type kaldet en "ionakustisk bølge", der ligner lydbølger i luft.

Betydningen af ​​denne opdagelse strækker sig fra laboratoriets relativt lille skala til den store skala af kosmos. "Der er magnetiske felter i hele universet på forskellige skalaer, inklusive størrelsen af ​​galakser, og vi ved ikke rigtig, hvordan de kom dertil, "Ochs sagde. "Mekanismen vi opdagede kunne have hjulpet med at udså kosmiske magnetfelter, og alle nye mekanismer, der kan producere magnetiske felter, er interessante for astrofysiksamfundet."

Resultaterne fra blyant-og-papir-beregningerne består af matematiske udtryk, der giver forskerne mulighed for at beregne, hvordan disse strømme, som opstår uden at elektroner interagerer direkte, udvikle sig og vokse. "Formuleringen af ​​disse udtryk var ikke ligetil, "Ochs sagde. "Vi var nødt til at kondensere resultaterne, så de ville være tilstrækkelig klare og bruge enkle udtryk til at fange nøglefysikken."

Resultaterne uddyber forståelsen af ​​et grundlæggende fysisk fænomen og var også uventede. De ser ud til at modsige den konventionelle forestilling om, at strømdrev kræver elektronkollisioner, sagde Ochs.

"Spørgsmålet om, hvorvidt bølger kan drive nogen strøm i plasma, er faktisk meget dybt og går til de grundlæggende vekselvirkninger mellem bølger i plasma, " sagde Nathaniel Fisch, en medforfatter af papiret, professor og lektor ved Institut for Astrofysiske Videnskaber, og leder af programmet i Plasmafysik. "Hvad Ochs udledte i mesterlig, didaktisk mode, med matematisk stringens, var ikke kun, hvordan disse virkninger nogle gange er afbalancerede, men også hvordan disse effekter nogle gange konspirerer for at tillade dannelsen af ​​netto elektriske strømme."

Disse resultater danner grundlaget for fremtidig forskning. "Det, der især ophidser mig, " sagde Fisch, "er, at den matematiske formalisme, som Ochs har bygget, sammen med de fysiske intuitioner og indsigter, han har tilegnet sig, Sæt ham nu i en position, hvor han enten kan udfordre eller lægge endnu mere nysgerrig adfærd på et solidt grundlag i samspillet mellem bølger og resonanspartikler i plasma."