تعبئة أبرد بلازما في العالم
يمكن للبلازما المبردة بالليزر أن تجيب على أسئلة حول الشمس وقوة الاندماج
اكتشف علماء الفيزياء طريقة لاحتجاز أبرد بلازما في العالم في زجاجة مغناطيسية ، وهو إنجاز تقني يمكن أن يدفع البحث في مجال الطاقة النظيفة والطقس الفضائي والفيزياء الشمسية.
اكتشف علماء الفيزياء في جامعة رايس طريقة لاحتجاز أبرد بلازما في العالم في زجاجة مغناطيسية ، وهو إنجاز تقني يمكن أن يدفع البحث في مجال الطاقة النظيفة والطقس الفضائي والفيزياء الفلكية.
قال رايس عميد العلوم الطبيعية:
لفهم كيفية تفاعل الرياح الشمسية مع الأرض ، أو لتوليد طاقة نظيفة من الاندماج النووي ، يجب على المرء أن يفهم كيف تتصرف البلازما – حساء من الإلكترونات والأيونات – في مجال مغناطيسي.
Tom Killian
المؤلف المقابل لدراسة منشورة حول العمل في Physical Review Letters
باستخدام السترونتيوم المبرد بالليزر ، صنع كيليان وطلاب الدراسات العليا جرانت جورمان وماكينزي وارين بلازما حوالي درجة واحدة فوق الصفر المطلق ، أو ما يقرب من -272 درجة مئوية ، وحاصروها لفترة وجيزة بقوى من المغناطيسات المحيطة. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها حصر البلازما شديدة البرودة مغناطيسيًا ، وقال كيليان ، الذي درس البلازما شديدة البرودة لأكثر من عقدين ، إنه يفتح الباب لدراسة البلازما في العديد من الأماكن.
قال كيليان ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك:
يوفر هذا اختبارًا نظيفًا ويمكن التحكم فيه لدراسة البلازما المحايدة في مواقع أكثر تعقيدًا ، مثل الغلاف الجوي للشمس أو النجوم القزمة البيضاء.
من المفيد حقًا أن يكون لديك البلازما شديدة البرودة وأن تكون لديك أنظمة معملية نظيفة جدًا. يتيح لك البدء بنظام بسيط وصغير وجيد التحكم ومفهوم جيدًا التخلص من بعض الفوضى وعزل الظاهرة التي تريد ان ترى.
هذا مهم للمؤلف المشارك في الدراسة ستيفن برادشو ، عالم الفيزياء الفلكية في رايس والمتخصص في دراسة ظواهر البلازما على الشمس.
في جميع أنحاء الغلاف الجوي للشمس ، فإن المجال المغناطيسي (القوي) له تأثير في تغيير كل شيء بالنسبة إلى ما تتوقعه بدون مجال مغناطيسي ، ولكن بطرق دقيقة ومعقدة للغاية يمكن أن تؤدي بك حقًا إلى الصعود إذا لم يكن لديك قال برادشو ، أستاذ مساعد في الفيزياء وعلم الفلك: فهم جيدون لها.
نادرًا ما يحصل علماء الفيزياء الشمسية على ملاحظة واضحة لميزات معينة في الغلاف الجوي للشمس لأن جزءًا من الغلاف الجوي يقع بين الكاميرا وتلك الميزات ، والظواهر غير ذات الصلة في الغلاف الجوي المتداخل تحجب ما يرغبون في ملاحظته.
قال برادشو: لسوء الحظ ، بسبب مشكلة خط البصر هذه ، ترتبط قياسات الملاحظة لخصائص البلازما بقدر كبير من عدم اليقين.
ولكن بينما نقوم بتحسين فهمنا للظواهر ، وبشكل حاسم ، نستخدم نتائج المختبر لاختبار ومعايرة نماذجنا العددية ، ثم نأمل أن نتمكن من تقليل عدم اليقين في هذه القياسات.
تعد البلازما واحدة من أربع حالات أساسية للمادة ، ولكن على عكس المواد الصلبة والسوائل والغازات ، فإن البلازما ليست عمومًا جزءًا من الحياة اليومية لأنها تميل إلى الحدوث في الأماكن شديدة الحرارة مثل الشمس أو صاعقة البرق أو لهب الشمعة.
مثل تلك البلازما الساخنة ، فإن بلازما كيليان عبارة عن حساء من الإلكترونات والأيونات ، لكنها تبرد عن طريق التبريد بالليزر ، وهي تقنية تم تطويرها منذ ربع قرن لاحتجاز وإبطاء المادة بالضوء.
قال كيليان إن الإعداد المغناطيسي الرباعي الذي تم استخدامه لاحتجاز البلازما هو جزء قياسي من الإعداد شديد البرودة الذي يستخدمه مختبره وغيره لصنع بلازما شديدة البرودة. لكن اكتشاف كيفية حبس البلازما بالمغناطيس كان مشكلة شائكة لأن المجال المغناطيسي يلحق الضرر بالنظام البصري الذي يستخدمه الفيزيائيون للنظر في البلازما شديدة البرودة.
وقال التشخيص لدينا هو تألق مستحث بالليزر ، حيث نسلط شعاع ليزر على الأيونات في بلازمانا ، وإذا كان تردد الحزمة مناسبًا تمامًا ، فإن الأيونات ستبعثر الفوتونات بشكل فعال للغاية.
يمكنك التقاط صورة لها ومعرفة مكان وجود الأيونات ، ويمكنك حتى قياس سرعتها من خلال النظر إلى انزياح دوبلر ، تمامًا مثل استخدام مسدس الرادار لمعرفة مدى سرعة حركة السيارة.
ولكن الحقول المغناطيسية تتحرك فعليًا حول ترددات الطنين ، وعلينا فصل التحولات في الطيف التي تأتي من المجال المغناطيسي من تحولات دوبلر التي نهتم بمراقبتها .
هذا يعقد التجارب بشكل كبير ، ولجعل الأمور أكثر تعقيدًا ، تتغير المجالات المغناطيسية بشكل كبير في جميع أنحاء البلازما.
قال كيليان: “لذلك علينا أن نتعامل ليس فقط مع مجال مغناطيسي ، ولكن مع مجال مغناطيسي متنوع في الفضاء ، بطريقة معقدة بشكل معقول ، من أجل فهم البيانات ومعرفة ما يحدث في البلازما.
لقد أمضينا عامًا في محاولة لمعرفة ما نراه بمجرد حصولنا على البيانات.
كما أن سلوك البلازما في التجارب أصبح أكثر تعقيدًا بسبب المجال المغناطيسي. وهذا بالضبط هو السبب في أن تقنية الملاءمة يمكن أن تكون مفيدة للغاية.
قال كيليان: هناك الكثير من التعقيد حيث يتمدد البلازما لدينا عبر هذه الخطوط الميدانية ويبدأ في الشعور بالقوى والوقوع في شرك.
هذه ظاهرة شائعة حقًا ، لكنها معقدة للغاية وهي أمر نحتاج حقًا إلى فهمه.
أحد الأمثلة من الطبيعة هو الرياح الشمسية ، تيارات من البلازما عالية الطاقة من الشمس التي تسبب الشفق القطبي ، أو الأضواء الشمالية.
عندما تضرب البلازما القادمة من الرياح الشمسية الأرض ، فإنها تتفاعل مع المجال المغناطيسي لكوكبنا ، ولا تزال تفاصيل تلك التفاعلات غير واضحة.
مثال آخر هو أبحاث الطاقة الاندماجية ، حيث يأمل الفيزيائيون والمهندسون في إعادة تهيئة الظروف داخل الشمس لخلق إمداد هائل من الطاقة النظيفة.
قال كيليان إن التركيب المغناطيسي الرباعي الذي استخدمه هو وجورمان ووارنز لتعبئة البلازما شديدة البرودة يشبه التصميمات التي طورها باحثو طاقة الاندماج في الستينيات.
قال برادشو إن بلازما الاندماج تحتاج إلى حوالي 150 مليون درجة مئوية ، واحتوائها مغناطيسيًا يمثل تحديًا ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى الأسئلة التي لم تتم الإجابة عنها حول كيفية تفاعل البلازما والمجالات المغناطيسية وتأثيرها على بعضها البعض.
وقال برادشو: إحدى المشكلات الرئيسية هي الحفاظ على استقرار المجال المغناطيسي بدرجة كافية لفترة كافية لاحتواء التفاعل فعليًا.
بمجرد أن يكون هناك نوع صغير من الاضطراب في المجال المغناطيسي ، فإنه ينمو وينفجر ، يتم تدمير التفاعل النووي.
وقال لكي تعمل بشكل جيد ، عليك أن تحافظ على استقرار الأمور حقًا.
وهناك مرة أخرى ، يمكن أن يساعدنا النظر إلى الأشياء في بلازما معملية نقية ولطيفة حقًا في فهم كيفية تفاعل الجسيمات مع المجال بشكل أفضل.