Köklere dönüş: Laboratuvar 50 yıl aradan sonra ilk yıldız cihazını inşa ediyor ve yeni plazma fiziği araştırmalarına kapıyı açıyor

[™ Admin]

Köklere dönüş: Laboratuvar 50 yıl aradan sonra ilk yıldız cihazını inşa ediyor ve yeni plazma fiziği araştırmalarına kapıyı açıyor

Bilim insanları ilk kez, kalıcı mıknatıslar kullanarak bir füzyon deneyi gerçekleştirdi; bu teknik, gelecekteki cihazları daha az maliyetle üretmenin basit bir yolunu gösterebilecek ve araştırmacıların gelecekteki füzyon enerji santralleri için yeni konseptleri test etmesine olanak tanıyabilecek.

ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı'ndaki (PPPL) araştırmacılar, maddenin elektrik yüklü dördüncü hali olan plazmayı sınırlayan bükümlü bir makine olan yeni bir tür yıldızlaştırıcı tasarlamak için mühendislik, hesaplama ve teorik fizik alanındaki onlarca yıllık uzmanlığı birleştirdi. Güneşe ve yıldızlara güç sağlayan ve potansiyel olarak temiz elektrik üreten füzyon sürecinden yararlanmak.

PPPL merkezli Princeton Plazma Fiziği Programında yüksek lisans öğrencisi olan Tony Qian, "Kalıcı mıknatıslar kullanmak yıldız yıldızları tasarlamanın tamamen yeni bir yoludur" dedi. Qian, Journal of Plasma Physics and Nuclear Fusion'da yayınlanan ve MUSE olarak bilinen cihazın arkasındaki teori ve mühendisliği ayrıntılarıyla anlatan makalelerin baş yazarıydı. "Bu teknik, yeni plazma hapsetme fikirlerini hızlı bir şekilde test etmemize ve yeni cihazları kolayca oluşturmamıza olanak tanıyor."

Stellaratörler genellikle karmaşık şekillere sahip olan ve manyetik alanlarını elektrik akışı yoluyla yaratan karmaşık elektromıknatıslara güvenirler. Bu elektromıknatısların çok az hata payı olacak şekilde hassas bir şekilde yapılması gerekir, bu da maliyetlerini artırır.

Ancak kalıcı mıknatıslar, sanatı buzdolabı kapılarına tutan mıknatıslar gibi, kendi alanlarını oluşturmak için elektrik akımına ihtiyaç duymazlar. Ayrıca endüstriyel tedarikçilerden hazır olarak sipariş edilebilirler ve daha sonra cihazın plazmayı tutan vakum kabının etrafındaki 3D baskılı bir kabuğa yerleştirilebilirler.

PPPL'de kıdemli araştırma fizikçisi ve projenin baş araştırmacısı Michael Zarnstorff, "MUSE büyük ölçüde ticari olarak temin edilebilen parçalardan yapılmıştır" dedi. "3D baskı şirketleri ve mıknatıs tedarikçileriyle çalışarak, ihtiyaç duyduğumuz hassasiyeti kendimiz yapmak yerine alışveriş yapıp satın alabiliyoruz."

Kalıcı mıknatısların yeni, daha uygun fiyatlı bir yıldız kaynağı çeşidinin temeli olabileceğine dair ilk fikir 2014 yılında Zarnstorff'a geldi. "Diğer mıknatısların yanına yerleştirilseler bile nadir toprak kalıcı mıknatıslarının gerekli manyetik alanları oluşturup koruyabileceğini fark ettim. Zarnstorff, füzyon reaksiyonlarının meydana gelebilmesi için plazmayı sınırlamak gerektiğini ve bu tekniğin işe yaramasını sağlayan özelliğin bu olduğunu söyledi.

Uzun süredir devam eden bir mühendislik problemini çözmek

PPPL'nin kurucusu Lyman Spitzer tarafından 70 yılı aşkın bir süre önce icat edilen yıldızlaştırıcılar, füzyon tesisleri için yalnızca bir konsepttir. Bir diğeri, plazmayı nispeten basit mıknatıslar kullanarak sınırlayan PPPL'nin Ulusal Küresel Torus Deneyi Yükseltmesi gibi çörek şeklindeki veya çekirdekli elma şeklindeki tokamaktır. Cihazların plazmayı ne kadar iyi hapsettiğinden dolayı onlarca yıldır dünya çapındaki bilim insanları tarafından tercih edilen tasarım bu olmuştur.

Bununla birlikte tokamaklar aynı zamanda plazmanın ortasından geçen elektrik akımlarının yarattığı, füzyon reaksiyonlarına müdahale eden dengesizlikler yaratan manyetik alanlara da dayanır. Stellaratörler bu tür akımlar olmadan da çalışabilir ve bu nedenle belirsiz süreler boyunca çalışabilirler. Ancak tasarlanması ve inşa edilmesi zor olan karmaşık mıknatısları, yıllardır yıldızlaştırıcıların füzyon enerji santralleri için ekonomik veya pratik seçenekler olmadığı anlamına geliyordu.

MUSE'nin yıldızlaştırıcıların basit mıknatıslar kullanarak çalışabileceğini göstermedeki başarısının bu kadar önemli olmasının nedeni budur. PPPL'de DOE Bilim Lisans Laboratuvarı Stajı sırasında MUSE'nin tasarlanmasına yardımcı olan Columbia Üniversitesi Uygulamalı Fizik ve Uygulamalı Matematik Bölümü yüksek lisans öğrencisi Amelia Chambliss, "Tipik yıldız mıknatıslarının işlenmesi çok zordur çünkü bunu çok hassas bir şekilde yapmanız gerekir" dedi. bir kaç yıl önce. "Dolayısıyla, işi yapmak için çok sayıda farklı mıknatıs kullanabileceğimiz fikri çok heyecan verici. Bu çok daha kolay bir mühendislik problemi."

Teorik bir özelliğin gerçekleştirilmesi

MUSE, bir mühendislik atılımı olmasının yanı sıra, yarı-simetri olarak bilinen teorik bir özelliği, daha önce başka herhangi bir yıldızlaştırıcının sahip olduğundan daha yüksek bir derecede sergilemektedir. Aynı zamanda, yarı eksensimetri olarak bilinen bir tür yarı simetriye sahip olacak şekilde özel olarak tasarlanmış, dünyanın herhangi bir yerinde tamamlanmış ilk cihazdır.

1980'lerin başında PPPL'den fizikçi Allen Boozer tarafından tasarlanan yarı simetri, yıldızlaştırıcının içindeki manyetik alanın şekli, yıldızlaştırıcının fiziksel şekli etrafında aynı olmasa da, manyetik alanın gücünün cihazın etrafında aynı olması ve bu durumun yıldızlaştırıcının etrafında aynı olması anlamına gelir. iyi plazma hapsi ve füzyon reaksiyonlarının meydana gelme ihtimalinin daha yüksek olması. Zarnstorff, "Aslında MUSE'nin yarı simetri optimizasyonu, mevcut yıldızlaştırıcılardan en az 100 kat daha iyidir" dedi.

Qian, "Bu yıldızı tasarlayıp inşa edebilmiş olmamız gerçek bir başarıdır" dedi.

Gelecekte, PPPL ekibi MUSE'nin yarı simetrisinin kesin doğasını belirlemek için bir dizi deney yapmayı ve böylece cihazın sıcak parçacıkların plazmanın çekirdeğinden kenarına doğru hareket etmesini, füzyon reaksiyonlarını daha zor hale getirmesini ne kadar iyi engellediğini bulmayı planlıyor. . Yöntemler, manyetik alanların daha hassas bir şekilde haritalandırılmasını ve cihazın yarı simetrisine bağlı olarak dönen plazmanın nasıl yavaşladığını ölçmeyi içerecektir.

MUSE, ABD ulusal laboratuvarında mümkün olan inovasyon türünü göstermektedir. Chambliss, "Bana göre MUSE ile ilgili en önemli şey, zor bir sorunu çözmenin yaratıcı bir yolunu temsil etmesidir" dedi. "Uzun süredir devam eden yıldız sorunlarını çözmek için birçok açık fikirli ve yenilikçi yaklaşım kullanıyor. Topluluk bu esnek şekilde düşünmeye devam ettiği sürece iyi durumda olacağız."

Kaynak: Phys