La termodinamica fornisce informazioni sull'energia interna di un sistema e sull'interazione dell'energia con l'ambiente circostante. Ciò si basa sull'equilibrio termico locale di un sistema. L'applicazione della termodinamica classica ai sistemi in disequilibrio è impegnativa. Questi includono gas e materiali granulari, impaccamento di sfere dure in 3-D, e sistemi al plasma.

L'espansione di un gas senza carica elettrica è stata tipicamente studiata utilizzando la termodinamica tradizionale. Gli esperimenti con gas semplici possono essere facilmente eseguiti in laboratorio, mentre quelli che coinvolgono plasmi gassosi di interesse astrofisico e solare pongono una serie di difficoltà. Le osservazioni vicino al sole e in orbita terrestre sono state interpretate come una dimostrazione che il vento solare non si espande adiabaticamente dal sole, come ci si aspetterebbe per questo ambiente quasi privo di collisioni. Piuttosto, si espande isotermicamente, implicando che il riscaldamento del plasma si verifica mentre si propaga attraverso lo spazio interplanetario.

Molti esperimenti di laboratorio in condizioni adiabatiche hanno anche mostrato un'espansione quasi isotermica negli ugelli magnetici e la relazione con i plasmi astrofisici. Però, in questi sistemi adiabatici in espansione, sembra che i campi elettrici possano avere un effetto significativo sulla dinamica degli elettroni, e un campo elettrico molto forte che intrappola gli elettroni di solito si forma al confine della parete del plasma nei plasmi di laboratorio. Quindi cosa accadrebbe se non ci fossero campi elettrici che intrappolano gli elettroni?

Ricercatori della Tohoku University e dell'Australian National University hanno studiato lo stato energetico del plasma quando interagisce con i campi magnetici ed elettrici [Fig1]. Lo studio ha implicazioni per la comprensione dei propulsori al plasma con ugello magnetico utilizzati per spingere i veicoli spaziali, poiché la conversione dell'energia è il processo essenziale per determinare le prestazioni del propulsore.

In un laboratorio della Tohoku University, ricercatori Kazunori Takahashi, Cristina Carlo, Rod W Boswell e Akira Ando hanno eseguito un esperimento appositamente progettato in cui hanno rimosso gli elettroni che intrappolano il campo elettrico nel sistema, con conseguente interazione degli elettroni esclusivamente con il campo magnetico in espansione. I risultati sperimentali mostrano la diminuzione della temperatura degli elettroni lungo l'espansione, a seguito di un'espansione adiabatica quasi perfetta di un gas di elettroni alla rimozione dei campi elettrici dal sistema.

Tenendo presente la prima legge della termodinamica, non c'è attualmente alcun trasferimento di calore, ma occorre lavorare sulle pareti che circondano il sistema per abbassarne l'energia interna. Il campo magnetico in espansione non è un confine fisico, quindi nessun calore viene trasferito. Quando i campi elettrici all'interno del plasma vengono rimossi, nessuno degli elettroni è intrappolato nel sistema plasma, lasciando gli elettroni liberi di interagire con la parete magnetica confinante:la forza di pressione del plasma lavora sul confine magnetico. Questa forza di pressione può anche essere intesa come una forza di Lorentz generata per spingere un veicolo spaziale in un propulsore al plasma con ugello magnetico.

Quindi, la diminuzione della temperatura degli elettroni lungo l'espansione deriva dall'abbassamento dell'energia interna di questo sistema adiabatico con il gas di elettroni che fa lavoro sul campo magnetico in espansione. Ciò implica che i principi termodinamici classici possono essere estesi all'espansione di un gas di elettroni senza collisioni, essendo lontano dall'equilibrio, in un ugello magnetico.

Rimuovendo il confine della parete del plasma nel loro plasma di laboratorio e quindi rimuovendo il corrispondente campo elettrico e l'intrappolamento di elettroni, i ricercatori hanno riprodotto le condizioni senza confini nello spazio. I risultati forniscono nuove informazioni sulla termodinamica del plasma e sulla tecnologia applicabile alla fisica spaziale e allo sviluppo della propulsione al plasma. Sono previsti ulteriori esperimenti dettagliati. Il documento è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .