Arindam Banerjee, professore associato di ingegneria meccanica e meccanica alla Lehigh University, studia le dinamiche dei materiali in ambienti estremi. Lui e il suo team hanno costruito diversi dispositivi per studiare efficacemente la dinamica di fluidi e altri materiali sotto l'influenza di un'elevata accelerazione e forza centrifuga.

Un'area di interesse è l'instabilità di Rayleigh-Taylor, che si verifica tra materiali di diversa densità quando la densità e i gradienti di pressione sono in direzioni opposte creando una stratificazione instabile.

"In presenza di gravità - o di qualsiasi campo in accelerazione - i due materiali si penetrano l'un l'altro come 'dita, '", dice Banerjee.

Secondo Banerjee, la comprensione dell'instabilità è per lo più limitata ai fluidi (liquidi o gas). Non si sa molto sull'evoluzione dell'instabilità nei solidi accelerati. Le scale temporali brevi e le grandi incertezze di misurazione dei solidi accelerati rendono molto impegnativo lo studio di questo tipo di materiale.

Banerjee e il suo team sono riusciti a caratterizzare l'interfaccia tra un materiale elasto-plastico e un materiale leggero in accelerazione. Hanno scoperto che l'inizio dell'instabilità, o "soglia di instabilità", era correlato alla dimensione dell'ampiezza (perturbazione) e alla lunghezza d'onda (distanza tra le creste di un'onda) applicate. I loro risultati hanno mostrato che per perturbazioni (o movimenti) sia bidimensionali che tridimensionali una diminuzione dell'ampiezza e della lunghezza d'onda iniziali produceva un'interfaccia più stabile, aumentando così l'accelerazione richiesta per l'instabilità.

Questi risultati sono descritti in un articolo pubblicato oggi in Revisione fisica E chiamato "esperimenti di instabilità di Rayleigh-Taylor con materiali elastoplastici". Oltre a Banerjee, i coautori includono Rinosh Polavarapu (un attuale studente di dottorato) e Pamela Roach (un ex studente di MS) nel gruppo di Banerjee.

"C'è stato un dibattito in corso nella comunità scientifica sul fatto che la crescita dell'instabilità sia una funzione delle condizioni iniziali o un processo catastrofico più locale, " dice Banerjee. "I nostri esperimenti confermano la precedente conclusione:che la crescita dell'interfaccia dipende fortemente dalla scelta delle condizioni iniziali, come ampiezza e lunghezza d'onda."

Negli esperimenti. La vera maionese di Hellman è stata versata in un contenitore di plexiglas. Sulla maionese si sono formate diverse perturbazioni simili a onde e il campione è stato quindi accelerato su un esperimento con ruota rotante. La crescita del materiale è stata monitorata utilizzando una telecamera ad alta velocità (500 fps). Un algoritmo di elaborazione delle immagini, scritto in Matlab, è stato quindi applicato per calcolare vari parametri associati all'instabilità. Per l'effetto dell'ampiezza, le condizioni iniziali sono state variate da w/60 a w/10 mentre la lunghezza d'onda è stata variata da w/4 a w per studiare l'effetto della lunghezza d'onda ("w" rappresenta la dimensione della larghezza del contenitore). I tassi di crescita sperimentali per varie combinazioni di lunghezze d'onda e ampiezza sono stati quindi confrontati con i modelli analitici esistenti per tali flussi.

Questo lavoro consente ai ricercatori di visualizzare sia l'evoluzione elasto-plastica che l'instabilità del materiale fornendo un database utile per lo sviluppo, convalida, e verifica dei modelli di tali flussi, dice Banerjee.

Aggiunge che la nuova comprensione della "soglia di instabilità" del materiale elastoplastico in accelerazione potrebbe essere utile per aiutare a risolvere le sfide della geofisica, astrofisica, processi industriali come saldatura esplosiva, e problemi di fisica ad alta densità di energia relativi alla fusione a confinamento inerziale.

Comprendere l'idrodinamica del confinamento inerziale

Banerjee lavora su uno dei metodi più promettenti per ottenere la fusione nucleare chiamato confinamento inerziale. Negli Stati Uniti., i due principali laboratori per questa ricerca sono il National Ignition Facility presso il Lawrence Livermore National Laboratory di Livermore, California, il più grande esperimento di fusione a confinamento inerziale operativo negli Stati Uniti, e il Los Alamos National Laboratory nel New Mexico. Banerjee funziona con entrambi. Lui e il suo team stanno cercando di capire l'idrodinamica fondamentale della reazione di fusione, così come la fisica.

Negli esperimenti di confinamento inerziale, il gas (isotopi di idrogeno, come nella fusione magnetica) è congelato all'interno di palline di metallo delle dimensioni di un pisello. I pellet vengono posti in una camera e poi colpiti da laser ad alta potenza che comprimono il gas e lo riscaldano fino a pochi milioni di Kelvin, circa 400 milioni di gradi Fahrenheit, creando le condizioni per la fusione.

Il massiccio trasferimento di calore, che avviene in nanosecondi, fonde il metallo. Sotto compressione massiccia, il gas dentro vuole scoppiare, causando un risultato indesiderato:la capsula esplode prima che la fusione possa essere raggiunta. Un modo per comprendere questa dinamica, spiega Banerjee, è immaginare un palloncino che viene schiacciato.

"Mentre il palloncino si comprime, l'aria all'interno spinge contro il materiale che lo confina, cercando di uscire, "dice Banerjee. "Ad un certo punto, il palloncino scoppierà sotto pressione. La stessa cosa accade in una capsula di fusione. La miscelazione del gas e del metallo fuso provoca un'esplosione".

Per evitare la miscelazione, aggiunge Banerjee, devi capire in primo luogo come il metallo fuso e il gas riscaldato si mescolano.

Per fare questo, il suo gruppo esegue esperimenti che imitano le condizioni di confinamento inerziale, isolando la fisica rimuovendo il gradiente di temperatura e le reazioni nucleari.

Banerjee e il suo team hanno trascorso più di quattro anni a costruire un dispositivo specifico per questi esperimenti. Ospitato al primo piano del Packard Laboratory di Lehigh, l'esperimento è unico al mondo nel suo genere, in quanto può studiare il mescolamento di due fluidi in condizioni rilevanti per quelle della fusione a confinamento inerziale. Sono inoltre disponibili apparecchiature all'avanguardia per la diagnosi del flusso. I progetti sono finanziati dal Dipartimento dell'Energia, Los Alamos National Laboratory e la National Science Foundation.

Uno dei modi in cui ricercatori come Banerjee imitano il metallo fuso è l'uso della maionese. Le proprietà del materiale e la dinamica del metallo ad alta temperatura sono molto simili a quelle della maionese a bassa temperatura, lui dice.

Il dispositivo del team ricrea l'incredibile velocità con cui il gas e il metallo fuso si mescolano. Raccolgono dati dagli esperimenti che eseguono e poi li inseriscono in un modello in fase di sviluppo presso il Los Alamos National Lab.

"Hanno preso un problema molto complicato e lo hanno isolato in sei o sette problemi più piccoli, " spiega Banerjee. "Ci sono scienziati dei materiali che lavorano su alcuni aspetti del problema; ci sono ricercatori come me che si concentrano sulla meccanica dei fluidi, tutti alimentati in diversi modelli che verranno combinati in futuro".