Una nuova svolta sulla compressione magnetica dei plasmi potrebbe migliorare la scienza dei materiali, ricerca sulla fusione nucleare, Generazione di raggi X e astrofisica di laboratorio, suggerisce una ricerca condotta dall'Università del Michigan.

Lo studio mostra che un campo magnetico a forma di molla riduce la quantità di plasma che scivola tra le linee del campo magnetico.

Conosciuto come il quarto stato della materia, il plasma è un gas così caldo che gli elettroni si strappano dai loro atomi. I ricercatori usano la compressione magnetica per studiare gli stati di plasma estremi in cui la densità è abbastanza alta da rendere importanti gli effetti della meccanica quantistica. Tali stati si verificano naturalmente all'interno di stelle e pianeti giganti gassosi a causa della compressione della gravità.

Il gruppo di ricerca guidato da Ryan McBride, professore associato di ingegneria nucleare e scienze radiologiche presso la U-M, sperimenta modi per ottenere stati come questo implodendo cilindri al plasma con campi magnetici. Questi cilindri hanno la tendenza a rompersi in modo "salsiccia" quando il campo magnetico trova minuscole cavità nella superficie del cilindro e le taglia. (Il termine tecnico è "instabilità della salsiccia.")

"È come cercare di spremere con le mani un panetto di burro morbido, " disse McBride. "Il burro schizza fuori tra le dita."

Il burro nell'analogia di McBride è plasma e le dita sono linee di campo magnetico. Il suo gruppo ha cercato un modo per impedire al campo magnetico di scavare nelle imperfezioni del cilindro, invece facendo in modo che il campo prema in modo più uniforme sulla superficie esterna del cilindro. Lo hanno fatto ruotando il campo magnetico in un'elica, quella forma primaverile, e variando l'angolo di pressione dell'elica sul cilindro di plasma. Ciò ha reso più difficile per il campo magnetico penetrare:il campo si è spostato su molti divot invece di premere su un divot per troppo tempo.

Le configurazioni magnetiche più contorte testate in questi esperimenti hanno ridotto la lunghezza dei tentacoli di plasma in fuga di circa il 70%. La ricerca è stata condotta in collaborazione con i Sandia National Laboratories e il Laboratorio di studi sul plasma della Cornell University.

Il team ha cambiato la forma del campo magnetico modificando il modo in cui la corrente elettrica, oltre 1 milione di ampere, attraversava il dispositivo di compressione. La corrente elettrica tipicamente sale attraverso il cilindro centrale che deve essere compresso e poi torna indietro attraverso colonne diritte di "corrente di ritorno" che circondano il cilindro centrale. Questo produce un campo magnetico cilindrico che circonda il cilindro centrale. Per trasformare il campo cilindrico in un'elica, la squadra ha attorcigliato le colonne della corrente di ritorno attorno al cilindro centrale. Il cilindro centrale inizia come una lamina di metallo, ma l'enorme corrente elettrica trasforma rapidamente il metallo in plasma. Hanno condotto gli esperimenti sul Cornell Beam Research Accelerator.

"Progettare le strutture delle correnti di ritorno è stato un interessante atto di bilanciamento, " ha detto Paul Campbell, primo autore dell'articolo e un dottorato di ricerca. studente in ingegneria nucleare e scienze radiologiche presso U-M. "Non eravamo nemmeno sicuri di poter ottenere queste strutture lavorate, ma per fortuna, la stampa 3D in metallo è avanzata abbastanza da consentirci di stamparli".

Campbell ha spiegato che quando le strutture sono più contorte, meno corrente li attraversa, quindi le colonne dovevano essere posizionate più vicine al plasma imploso per compensare. Allo stesso tempo, avevano bisogno di spazi vuoti nella struttura in modo da poter vedere cosa stava succedendo con l'implosione.

In linea con la replica delle condizioni all'interno delle stelle, la compressione magnetica è un metodo per comprimere il combustibile da fusione nucleare, in genere varianti dell'idrogeno, per studiare i processi che alimentano le stelle. La tecnica può anche generare potenti raffiche di raggi X e simulare fenomeni astrofisici come getti di plasma vicino a buchi neri.

Un documento su questa ricerca, "Stabilizzazione delle implosioni del liner tramite un pizzicamento dinamico della vite, " è accettato dalla rivista Lettere di revisione fisica . La ricerca sarà anche presentata in un discorso su invito alla conferenza annuale della Divisione di fisica del plasma dell'American Physical Society nel novembre 2020.