Bilim insanlarının galaksideki en güçlü kuvvetlerden birini incelemelerine olanak tanıyan benzersiz bir cihaz inşa ediyor

Bilim insanlarının galaksideki en güçlü kuvvetlerden birini incelemelerine olanak tanıyan benzersiz bir cihaz inşa ediyor

Bilim insanları, galaksideki en güçlü kuvvetlerden birini incelemek için benzersiz bir cihaz geliştirdi: 'Türünün ilk örneği, dünya standartlarında bir tesis'

Bilim insanlarının galaksideki en güçlü kuvvetlerden birini incelemelerine olanak tanıyan benzersiz bir cihaz, Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı'nda görücüye çıktı.

PPPL'nin bir basın bültenine göre, manyetik yeniden bağlanmaya odaklanan Laboratuvar Yeniden Bağlantı Deneyleri Tesisi, araştırmacıların "yeniden bağlanmanın güneş parlamalarına ve tokamak bozulmalarına nasıl neden olduğunu" anlamalarına yardımcı olacak.

Bildiriye göre, "3,6 metre uzunluğunda, 2,7 metre çapında ve 10 tondan fazla ağırlığındaki FLARE, türünün ilk örneği, dünya standartlarında bir tesis."

Tokamaklar, sınırsız temiz enerjinin geleceğine ev sahipliği yapan halka şeklindeki füzyon aygıtlarıdır. Ancak teknolojinin gelişimi, yüklü parçacıkların serbest kalmasına neden olan manyetik yeniden bağlanma nedeniyle engelleniyor. Güneş'ten yayılan bu parçacıklar, Dünya'nın dış atmosferinde, uydularda ve elektrik şebekelerinde büyük hasara yol açabilir.

Manyetik yeniden bağlanmada, manyetik alan çizgileri birbirine yaklaşır, ayrılır ve yeni oluşumlar oluşturarak büyük miktarda enerji üretir. Baş araştırmacı Hantao Ji, FLARE'in bilim insanlarının uzay araçlarının, yüksek güçlü bilgisayar simülasyonlarının ve laboratuvar çalışmalarının ortaya çıkaramadığı bilgileri ortaya çıkarmasına yardımcı olacağını söyledi.

"Bu, şu anda mevcut olanın ötesine geçen yeni bir araştırma yöntemi," diye ekledi.

Cihaz, bir deney sırasında 6 milyon joule'den fazla enerji (1.000 eve 5 saniye boyunca güç sağlayabilir) deşarj edebilir ve yeniden bağlanmanın birden fazla sözde X noktasında aynı anda gerçekleşip gerçekleşmediğini kanıtlamak için kullanılacak. FLARE, uzayı taklit edecek ve yeniden bağlanmanın plazmayı nasıl ısıttığını, ne kadar enerji gerektirdiğini ve ne kadar hızlı gerçekleştiğini ölçecek.

PPPL baş araştırma fizikçisi Jongsoo Yoo, "Araştırma alanındaki ve mevcut enerjideki kısıtlamalar nedeniyle, neler olduğunu gözlemlemek için deneyler yapamadık," dedi. "Şimdiye kadar her iki yönde de somut bir kanıt yoktu. Bunu değiştireceğiz. FLARE'in, yeniden bağlantının birçok X noktasında gerçekleşebileceğini deneysel olarak gösteren ilk cihaz olacağına inanıyoruz."

Astrofizik ve füzyon plazma çalışmalarının genişletilmesi, bir gün insanların, şehirlerin ve işletmelerin temiz enerji yoluyla tasarruf etmelerine yardımcı olabilir. İnsan sağlığına zarar veren ve gezegeni kirleten kirli enerji kaynaklarını kullanmak yerine, insanlar Dünya'nın gücünden faydalanabilir.

Şimdilik, bireyler güneş panelleri ve güneş, rüzgar, su, yeraltı ve daha birçok kaynaktan ücretsiz enerji sağlayan diğer altyapılarla yetinmek zorunda kalacak. Bu yenilenebilir enerji kaynakları, dalgalanan kömür, gaz ve petrol fiyatlarındaki düşüşten kurtulmayı ve hatta şebekeye aşırı bağımlılığı azaltmayı sağlıyor.

Bu, özellikle fosil yakıtların yakılmasının neden olduğu artan küresel sıcaklıkların giderek daha şiddetli aşırı hava olaylarına yol açması nedeniyle önemlidir. Açıklamada ayrıca, Trump yönetiminin iklim analizi ve diğer hayat kurtarıcı çalışmalara yönelik devlet harcamalarını azaltması nedeniyle bu tür çalışmalara yatırım yapmanın önemine de dikkat çekildi.

Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi'nin personel şefi Christian Newton, basın açıklamasında, "Ulusal laboratuvarlar uzun vadeli bilimsel araştırmalara yatırım yaparak, Amerika'nın geri kalan bilim ve teknoloji sektörlerini destekleyebilecek sonuçlar üretiyor" dedi.

Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı, manyetik yeniden bağlanma olarak bilinen fenomeni keşfetmek için eşsiz yeteneklere sahip bir makineyi tanıttı.

Yüksek tavanlı ferah bir odada, SUV büyüklüğünde metal bir varile benzeyen ışıldayan bir cihaz, yan yatmış halde bilimsel çalışmalar yapmaya hazır bir şekilde duruyor.

Laboratuvar Yeniden Bağlantı Deneyleri Tesisi (FLARE) olarak bilinen bu makine, ABD Enerji Bakanlığı'na (DOE) bağlı Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı'nda (PPPL) temel plazma fiziği alanında yeni nesil araştırmaları temsil ediyor. 3,6 metre uzunluğunda, 2,7 metre çapında ve 10 tondan fazla ağırlığındaki FLARE, türünün ilk örneği, dünya standartlarında bir tesis.

Laboratuvar, 12 Haziran'da özel bir kurdele kesme etkinliğiyle FLARE'in faaliyete geçmesini kutladı. Yalnızca davetlilerin katıldığı etkinliğe, DOE, Princeton Üniversitesi ve PPPL yetkilileri de dahil olmak üzere 50'den fazla kişi katıldı.

PPPL Direktörü Steve Cowley, "Bugün FLARE'i dünyaya sunduğumuz gün," dedi. "Bu benzersiz cihazı tasarlayıp üretme ve bilim camiasına sunma sözümüzü yerine getirdik. FLARE'in önümüzdeki yıllarda plazma bilimi için önemli bilgiler sağlayacağını umuyorum ve sabırsızlanıyorum."

FLARE, araştırmacıların manyetik alan çizgilerinin ayrılıp tekrar birleşerek muazzam miktarda enerji açığa çıkardığı bir fenomen olan manyetik yeniden bağlanmayı incelemelerine olanak tanıyor. Yeniden bağlanma, evrenin her yerinde meydana gelir ve güneş yüzeyinde güneş parlamaları olarak bilinen dev plazma patlamalarına güç verir.

Bu patlamalar, güneş sistemine akan elektrik yüklü parçacıklardan oluşan güçlü rüzgarlar oluşturabilir. Ayrıca Dünya'nın dış atmosferine çarparak iletişim uydularına, küresel konumlandırma sistemlerine ve elektrik şebekelerine zarar verebilir ve elektrik kesintilerine ve internet kesintilerine yol açabilirler. Dahası, yeniden bağlanma, tokamak olarak bilinen halka şeklindeki füzyon cihazlarının içinde gerçekleşerek kritik füzyon reaksiyonlarını bozar ve operasyonları engeller.

Yeniden bağlanmanın güneş parlamalarına ve tokamak kesintilerine nasıl neden olduğunu tam olarak anlamak, iletişim ağlarında oluşan hasarı azaltmaya ve tokamak operasyonlarının istikrarını artırmaya yardımcı olabilir. Bu araştırma, PPPL'nin astrofizik ve füzyon plazma çalışmalarındaki uzmanlığını ortaya koymaktadır.

Princeton Üniversitesi'nde astrofizik bilimleri profesörü, PPPL'de seçkin bir araştırma görevlisi ve FLARE'nin baş araştırmacısı olan Hantao Ji, "FLARE, bilim insanlarının daha önce erişemediği yeteneklere sahip yeni bir araştırma platformudur," dedi. "Uzay aracının, bilgisayar simülasyonlarının ve diğer laboratuvar deneylerinin sağlayamayacağı manyetik yeniden bağlanma hakkında bilgi sağlayacak. Mevcut olanın ötesine geçen yeni bir araştırma yöntemi."

FLARE, bu temel olgu hakkındaki bilgimizi artırabilecek manyetik yeniden bağlanma hakkındaki bir hipotezi test etmek için tasarlanmıştır. Yeniden bağlanma, manyetik alan çizgilerinin (manyetizma etkilerinin aktığı hayali yollar) birbirine yaklaşıp aniden ayrılıp yeni konfigürasyonlarda yeniden birleştiğinde meydana gelir. Bu süreç son derece güçlüdür; Güneş yüzeyinde ve diğer yıldızlarda meydana geldiğinde, trilyonlarca ton TNT'ye eşdeğer miktarda enerji açığa çıkarabilir.

ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi Genel Müdürü Christian Newton, FLARE'in ulusal laboratuvar sisteminin Amerika'nın ulusal araştırma çabalarını güçlendirdiğini ve önemli bir rekabet avantajı sağladığını gösterdiğini belirtti. "Ulusal laboratuvarlar, uzun vadeli bilimsel araştırmalara yatırım yaparak Amerika'nın geri kalan bilim ve teknoloji sektörlerini destekleyebilecek sonuçlar üretiyor" dedi.

ABD Enerji Bakanlığı Füzyon Enerjisi Bilimleri Müdür Yardımcısı Jean Paul Allain de ulusal laboratuvarların benzersiz yeteneklerini ve katkılarını vurguladı. "PPPL gibi laboratuvarlar, büyük soruları yanıtlayan bir altyapı oluşturmak için büyük riskler alabilir" dedi. "FLARE bunun mükemmel bir örneği."

Şimdiye kadar bilim insanları, iki manyetik alan çizgisinin kesiştiği sınır boyunca, X noktası olarak bilinen tek bir konumda yeniden bağlantının gerçekleştiğini gözlemlediler. FLARE, yeniden bağlantının aynı anda birden fazla X noktasında gerçekleşip gerçekleşemeyeceği sorusuna, koşulları uzayda gerçekte meydana geldikleri gibi daha yakından taklit ederek yanıt verecek. FLARE ayrıca bilim insanlarının, yeniden bağlanmanın etrafındaki plazmayı nasıl ısıttığını, tam olarak ne kadar enerjinin ısıya dönüştüğünü ve bu ısınmanın ne kadar hızlı gerçekleştiğini daha iyi anlamalarına yardımcı olacak. Çoklu X-noktası yeniden bağlanmasını göstererek, bilim insanları doğada meydana gelen yeniden bağlanma hakkındaki anlayışlarını genişletecekler.

"FLARE'in misyon hedefi bu," dedi keşif plazma bilimi başkan yardımcısı, PPPL baş araştırma fizikçisi ve FLARE ekibinin bir üyesi olan Jongsoo Yoo. "Büyük astrofizik sistemlerde yeniden bağlantının aynı anda çok sayıda konumda gerçekleştiğine inanıyoruz, ancak araştırma alanındaki ve mevcut enerjideki kısıtlamalar nedeniyle ne olduğunu gözlemlemek için deneyler yapamadık. Şimdiye kadar her iki yönde de somut bir kanıt yok. Bunu değiştireceğiz. FLARE'in, yeniden bağlantının birçok X noktasında gerçekleşebileceğini deneysel olarak gösteren ilk cihaz olacağına inanıyoruz."

"FLARE'in mühendisliğinin karmaşık olmasının nedeni bu. Çok fazla enerjiyle uğraşıyorsunuz!" - Jongsoo Yoo

Peki büyük bir metal varil, ışık yılı genişliğindeki devasa alanları nasıl taklit edebilir? Cevap, karşılaştırmaya bağlı; yeniden bağlantı olaylarının boyutunun FLARE içindeki alanın genel boyutuyla nasıl karşılaştırıldığına. Elektronlar gibi yüklü parçacıkların dairesel hareketini manyetik alan çizgileri etrafında sıkıştırarak, FLARE'in mıknatısları plazmadan geçen bir elektrik akımının boyutunu küçültür. Yeniden bağlanma, elektrik akımlarının özelliklerine bağlı olduğundan, FLARE'deki yeniden bağlanma noktaları nispeten küçüktür.

Bu küçülme önemlidir çünkü bilim insanları, tıpkı uzayda olduğu gibi, etraflarındaki boş alana kıyasla küçük yeniden bağlanma noktaları oluşturmak isterler. Bu teknik, mühendislerin bir uçağın fırtınada güvenli bir şekilde uçup uçamayacağını öğrenmek istediklerinde yapacakları şeye benzer. Fırtınada gerçek bir uçak uçurabilir veya bir ayak uzunluğundaki bir modeli rüzgar tüneline koyabilirler. FLARE ikinci yaklaşımı temsil eder.

FLARE'in Muazzam Gücü

Bilim insanlarının araştırma hedeflerine ulaşmalarına yardımcı olmak için FLARE, muazzam miktarda enerji depolayıp serbest bırakabilir. Bir deney sırasında FLARE, yaklaşık 1.000 evi beş saniye boyunca çalıştırabilecek enerji miktarına denk gelen 6 milyon joule'den fazla enerji boşaltabilir. Bu etkileyici güç darbesi, FLARE'in yeniden bağlanmayı doğru bir şekilde simüle etmek için gereken koşulları oluşturmasını sağlar. Yoo, "FLARE'in mühendisliğinin karmaşık olmasının nedeni bu," dedi. "Çok fazla enerjiyle uğraşıyorsunuz!"

FLARE'in yetenekleri, uzay araçlarının bile sağlayamayacağı bilgileri toplamasına olanak tanır. FLARE bir laboratuvarda olduğu için bilim insanları, yeniden bağlanma olaylarını doğrudan ölçmek için sondalar kullanabilirler. Ayrıca, NASA'nın Manyetosferik Çok Ölçekli Görevi gibi uzayda yeniden bağlanmayı incelemeyi amaçlayan uzay aracı görevleri, sınırlı sayıda uzay aracı içerir; bu da bilim insanlarının uzayın yalnızca çok küçük bir bölümünü ölçebilecekleri anlamına gelir. Buna karşılık, FLARE bilim insanlarının istedikleri kadar ölçüm yapmalarına ve olup bitenler hakkında daha kapsamlı bir resim elde etmelerine olanak tanır.

FLARE ayrıca doğruluk açısından yüksek güçlü bilgisayar simülasyonlarını da geride bırakıyor. Ji, "Simülasyonlar gerçek değil," dedi. "Bunun yerine, gerçek olmaya çalışıyorlar. Birçok yaklaşım içeriyorlar, ancak çok fazla oldukları için birçok önemli fizik kayboluyor. Ve kaybolan fiziğin önemli olup olmadığını bilmiyoruz." Tıpkı en sevdiğiniz şarkının kayıpsız bir sıkıştırma dosyasındaki kaydının tipik bir MP3 ses dosyasından daha fazla bilgi içermesi ve daha zengin bir dinleme deneyimi sağlaması gibi, FLARE kullanılarak yapılan deneyler de yeniden bağlanma konusunda daha ayrıntılı ve eksiksiz bir anlayış sağlayacaktır.

Kısacası, bilim insanları FLARE'i laboratuvardan çıkmadan evreni keşfetmek için kullanacaklar. Ji, "Manyetik yeniden bağlanmanın meydana geldiği tüm astrofizik koşulları, başka bir evren yaratmadan yeniden üretmemizin bir yolu yok," dedi. "Ama fiziğin güzelliği, bunu yapmak zorunda olmamanız."

Uluslararası bir bilimsel keşif merkezi

FLARE, iş birliğine dayalı bir araştırma tesisi olarak bilinir. Bu unvan, dünyanın dört bir yanından bilim insanlarının bir araştırma teklifi sunabileceği ve deneyin kapsamını belirlemek ve uzun vadeli iş birliklerini teşvik etmek için PPPL bilim insanlarıyla birlikte çalışabileceği anlamına gelir. Örneğin, bilim insanları, FLARE'de plazma özelliklerini ölçmek için yeni teşhis araçları veya sensörler geliştirmek üzere PPPL bilim insanlarıyla ortaklık kurabilirler. Yoo, "Umuyoruz ki bu," dedi. "Dünya çapındaki uzmanlarla çalışmak istiyoruz. Kullanıcı tesislerinin aksine, bir teklif sunup sınırlı bir araştırma süresi aldığınızda ve personel bilim insanları deneyi sizin için gerçekleştirip ardından size verileri verdiğinde, FLARE çalışma süresinden çok iş birliğine odaklanıyor. Sonuç olarak, araştırmacılar tesisimizde çok daha fazla uygulamalı olarak yer alabiliyor."

FLARE'nin açılışı, uzayda, yıldızların yüzeyinde ve füzyon enerjisini incelemek ve kullanmak için tasarlanmış cihazlarda meydana gelen karmaşık fiziği anlama yolunda önemli bir adım. Ji, "FLARE, hem astrofizik hem de füzyon plazma çalışmaları için önemli olduğu için PPPL ve dünya için önemli," dedi. "Bu yeni nesil makine, bu araştırmada hem ulusal hem de uluslararası bir lider olduğumuzu doğruluyor."

FLARE montajı, DE-AC02-09CH11466 numaralı sözleşme kapsamında Enerji Bakanlığı ve Princeton Üniversitesi'nin sağladığı fonlarla tamamlandı. İlk FLARE cihazının inşası, Ulusal Bilim Vakfı Büyük Araştırma Cihazı hibesi PHY-1337831 ve Princeton Üniversitesi'nin yanı sıra Wisconsin-Madison Üniversitesi ve Maryland Üniversitesi'nin katkılarıyla finanse edildi.

Kaynak: TCD ve PPPL