L'attrito nel plasma diventa strano in presenza di campi magnetici molto forti, lo ha dimostrato un team di ricercatori sul plasma dell'Università del Michigan. I risultati potrebbero influenzare le strategie di energia da fusione e lo sviluppo di sorgenti di radiazioni.

Il giornale Fisica dei Plasmi recentemente selezionato il ritrovamento, riportato in un articolo intitolato, "Un modello cinetico di attrito in plasmi fortemente magnetizzati fortemente accoppiati, " come scelta dell'editore. Scott Baalrud, professore associato di ingegneria nucleare e scienze radiologiche presso l'UM e autore senior dello studio, spiegato perché il risultato è importante.

Perché studiare come i forti campi magnetici influenzano i plasmi?

Uno degli aspetti più eccitanti della scienza è esplorare l'ignoto. La storia della scienza fornisce molti esempi che mostrano come esplorare nuovi regimi:piccole scale spaziali, scale ad alta energia, temperatura molto bassa, temperatura molto alta, e così via, amplia la nostra comprensione della natura e porta anche a nuove applicazioni tecnologiche rese possibili dalla comprensione di questi nuovi regimi.

I plasmi sono raccolte di particelle cariche in cui alcuni elettroni sono separati dai nuclei dei loro atomi. Molte delle utili applicazioni dei plasmi, come l'energia di fusione e la propulsione al plasma, utilizzare la capacità di controllare le proprietà del plasma applicando campi magnetici. Ciò è possibile perché le particelle cariche compiono traiettorie a spirale in presenza di un campo magnetico. Disegnano schemi elicoidali nello spazio, come la forma di un filamento di DNA.

Queste tecnologie utilizzano plasma fortemente magnetizzato?

I plasmi sono quasi sempre debolmente magnetizzati, nel senso che i raggi delle spirali disegnate dalle particelle sono molto più grandi della scala su cui interagiscono le particelle. Come conseguenza, essenzialmente tutta la teoria del plasma si basa sul presupposto che il plasma sia debolmente magnetizzato. Però, è del tutto possibile creare plasmi fortemente magnetizzati. Questo è un regime entusiasmante da esplorare perché non sappiamo cosa aspettarci. Tutto ciò che sappiamo veramente è che le nostre attuali teorie non si applicano lì e che il plasma dovrebbe comportarsi in modi fondamentalmente diversi.

Come hai esplorato i plasmi in forti campi magnetici?

Utilizzando una combinazione di matita e carta e simulazioni matematiche al supercomputer, Luigi Josè, un assistente di ricerca laureato in ingegneria nucleare e scienze radiologiche, e ho sviluppato una nuova teoria per descrivere i plasmi fortemente magnetizzati. Quindi, l'abbiamo applicato per esplorare una proprietà fondamentale di qualsiasi sostanza:l'attrito. Nello specifico, abbiamo calcolato la forza su una particella mentre rallenta in un plasma fortemente magnetizzato. La nostra comprensione tipica, a base di plasmi debolmente magnetizzati, è che l'attrito agisce per opporsi alla velocità della particella, con la conseguenza che il raggio della spirale che la particella fa si riduce man mano che l'attrito la rallenta.

La nuova scoperta è che l'attrito agisce anche in direzioni perpendicolari alla direzione della particella quando il plasma di fondo è fortemente magnetizzato. Uno di questi componenti cambia il raggio del movimento a spirale, inclusa una proprietà non intuitiva che l'attrito può far sì che la spirale diventi più grande nel tempo in determinate condizioni. Un altro componente influenza la frequenza alla quale si verifica il movimento a spirale. Entrambi questi effetti si verificano solo a forte magnetizzazione e sono cambiamenti fondamentali nel comportamento di un plasma.

Perché è importante avere questo nuovo modello?

Sebbene le nostre simulazioni negli ultimi anni abbiano mostrato alcune di queste proprietà di base, le simulazioni possono fornire una scarsa comprensione del perché, o anche come, nascono questi effetti. Il nuovo modello teorico permette di comprendere la fisica responsabile dei comportamenti osservati nelle simulazioni. Per di più, le simulazioni richiedono una grande quantità di risorse computazionali. Possiamo simulare solo un numero limitato di proprietà, in una gamma limitata di condizioni.

Le simulazioni sono importanti perché forniscono dati di base con cui testare la teoria. Ma la teoria ci permette di modellare il comportamento dei plasmi in condizioni sperimentali, e ci permette anche di calcolare proprietà di plasmi fortemente magnetizzati che le simulazioni non possono fornire.

Come possono essere utilizzate le tue scoperte nel mondo reale?

È principalmente una ricerca esplorativa. Poiché la forte magnetizzazione cambia il modo in cui le particelle, calore, e la quantità di moto vengono trasferite attraverso un plasma, potrebbe essere utilizzato per migliorare i concetti di energia da fusione, sorgenti di radiazioni, o più probabilmente, inventare qualcosa a cui non abbiamo ancora pensato.