Qualsiasi superficie solida immersa in un plasma, compresi quelli nei motori satellitari e nei reattori a fusione, è circondato da uno strato di carica elettrica che determina l'interazione tra la superficie e il plasma. Comprendendo la natura di questo contatto, che possono influenzare le prestazioni dei dispositivi, spesso dipende dalla comprensione di come la carica elettrica è distribuita sulla superficie. Ora, una recente ricerca condotta da scienziati presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) indica un modo per misurare in modo più accurato queste proprietà elettriche.

La recente scoperta riguarda lo strato, la cosiddetta guaina plasma-wall di carica elettrica che circonda gli oggetti, comprese le sonde diagnostiche, all'interno del plasma, che è composto da elettroni e ioni carichi. Questo strato protegge le sonde respingendo altri elettroni nel plasma che influenzano le misurazioni dello strumento e talvolta causano anche danni. "In effetti, l'oggetto si isola da tutti questi elettroni nel plasma che trasportano energia e calore e potrebbero far fondere la sonda, " ha detto Brian Kraus, uno studente laureato del Princeton Program in Plasma Physics che è stato l'autore principale del documento che ha pubblicato i risultati in Fisica dei Plasmi .

Kraus e il principale fisico di ricerca Yevgeny Raitses, co-autore del documento e consulente di ricerca per Kraus sul suo progetto di laurea del primo anno, scoperto che la carica dello strato a volte può essere positiva, contraddicendo ciò che gli scienziati hanno a lungo pensato, che la coperta ha sempre una carica più negativa rispetto al plasma circostante. I risultati indicano che i ricercatori devono determinare esattamente quale tipo di carica circonda la sonda per poter apportare correzioni che genereranno una misurazione accurata delle condizioni all'interno del plasma.

Nello specifico, ricerca condotta sull'Hall Thruster Experiment (HTX) guidato da Raitses al PPPL, che viene tipicamente utilizzato per studiare i propulsori al plasma per veicoli spaziali e relativi dispositivi al plasma, ha mostrato che una diagnostica che emette calore che non è collegata a un filo con messa a terra può a volte produrre la carica positiva. L'HTX è stato in grado di fornire un costante, plasma stabile che ha permesso agli scienziati di rilevare con maggiore precisione quale tipo di carica si stava accumulando vicino alla sonda.

"La grande novità è che fino ad ora, gli scienziati da almeno un decennio sviluppavano calcoli teorici ed eseguivano simulazioni computazionali che mostravano che lo strato positivo, o guaina inversa, potrebbe verificarsi, ma nessuno l'aveva visto negli esperimenti con le sonde, " Kraus ha detto. "In questo documento, diciamo che pensiamo di vederlo davvero in un esperimento, oltre a vedere la transizione tra guaine negative e positive."

La ricerca è stata la prima a supportare questi calcoli riguardanti l'effetto delle cosiddette pareti altamente emissive. A sviluppare tali calcoli furono Michael Campanell, Aleksandr Khrabrov, e Igor Kaganovich di PPPL, insieme a Dmytro Sydorenko all'Università di Alberta. (Campanell è ora al Lawrence Livermore National Laboratory del DOE.) I nuovi esperimenti forniscono quindi un eccellente esempio di come le previsioni teoriche motivino la ricerca sperimentale che a sua volta convalida le previsioni teoriche.

Secondo Raitses e Kraus, la ricerca futura che coinvolge esperimenti fisici misurerà con maggiore attenzione quanto bene il modello della sonda altamente emissivo corrisponda alle osservazioni. Uno di questi esperimenti determinerebbe se una sonda emissiva con un filo lungo manterrebbe più facilmente una carica positiva.