Arindam Banerjee, docent i maskinteknik och mekanik vid Lehigh University, studerar materialets dynamik i extrema miljöer. Han och hans team har byggt flera enheter för att effektivt undersöka dynamiken i vätskor och andra material under påverkan av hög acceleration och centrifugalkraft.

Ett intresseområde är Rayleigh-Taylor instabilitet, som uppstår mellan material med olika densiteter när densiteten och tryckgradienterna är i motsatta riktningar och skapar en instabil skiktning.

"I närvaro av gravitation - eller något accelererande fält - tränger de två materialen in i varandra som fingrar, säger Banerjee.

Enligt Banerjee, förståelsen för instabiliteten begränsas mestadels till vätskor (vätskor eller gaser). Inte mycket är känt om utvecklingen av instabiliteten i accelererade fasta ämnen. De korta tidsskalorna och de stora mätosäkerheterna hos accelererade fasta ämnen gör att undersöka denna typ av material är mycket utmanande.

Banerjee och hans team har lyckats karakterisera gränssnittet mellan ett elastiskt plastmaterial och ett lätt material under acceleration. De upptäckte att starten på instabiliteten - eller "instabilitetströskeln" - var relaterad till storleken på amplituden (störning) och våglängden (avståndet mellan vågens toppar). Deras resultat visade att för både tvådimensionella och tredimensionella störningar (eller rörelser) gav en minskning av initial amplitud och våglängd ett mer stabilt gränssnitt, därigenom ökar accelerationen som krävs för instabilitet.

Dessa resultat beskrivs i en artikel publicerad idag Fysisk granskning E kallad "Rayleigh-Taylor-instabilitetsexperiment med elastiska plastmaterial". Förutom Banerjee, medförfattare inkluderar Rinosh Polavarapu (en nuvarande doktorand) och Pamela Roach (en tidigare MS-student) i Banerjees grupp.

"Det har pågått en debatt i det vetenskapliga samfundet om huruvida instabilitetstillväxt är en funktion av de inledande förhållandena eller en mer lokal katastrofal process, "säger Banerjee." Våra experiment bekräftar den tidigare slutsatsen:att gränssnittstillväxten är starkt beroende av valet av initiala förhållanden, såsom amplitud och våglängd. "

I experimenten. Hellmans riktiga majonnäs hälldes i en plexiglasbehållare. Olika vågliknande störningar bildades på majonnäs och provet accelererades sedan på ett roterande hjulförsök. Materialets tillväxt spårades med en höghastighetskamera (500 fps). En bildbehandlingsalgoritm, skrivet i Matlab, applicerades sedan för att beräkna olika parametrar associerade med instabiliteten. För effekten av amplitud, de initiala förhållandena varierade från w/60 till w/10 medan våglängden varierades från w/4 till w för att studera effekten av våglängd ("w" representerar storleken på behållarens bredd). Experimentella tillväxthastigheter för olika våglängds- och amplitudkombinationer jämfördes sedan med befintliga analytiska modeller för sådana flöden.

Detta arbete gör det möjligt för forskare att visualisera både den elastiska plasten och instabilitetsutvecklingen av materialet samtidigt som de tillhandahåller en användbar databas för utveckling, godkännande, och verifiering av modeller av sådana flöden, säger Banerjee.

Han tillägger att den nya förståelsen av "instabilitetströskeln" för elastiskt plastmaterial under acceleration kan vara av värde för att lösa utmaningar inom geofysik, astrofysik, industriella processer som explosiv svetsning, och fysikproblem med hög energitäthet relaterad till tröghetsfusion.

Förstå hydrodynamiken i tröghetsbegränsning

Banerjee arbetar med en av de mest lovande metoderna för att uppnå kärnfusion som kallas tröghetsbegränsning. I USA., de två stora laboratorierna för denna forskning är National Ignition Facility vid Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore, Kalifornien - det största operativa tröghetsfusionsexperimentet i USA - och Los Alamos National Laboratory i New Mexico. Banerjee arbetar med båda. Han och hans team försöker förstå den grundläggande hydrodynamiken i fusionsreaktionen, liksom fysiken.

I tröghetsbegränsningsexperiment, gasen (väteisotoper, som i magnetisk fusion) fryses inuti metallpellets i ärtstorlek. Pellets placeras i en kammare och träffas sedan med kraftfulla lasrar som komprimerar gasen och värmer upp den till några miljoner Kelvin-cirka 400 miljoner grader Fahrenheit-vilket skapar förutsättningar för fusion.

Den massiva värmeöverföringen, som händer i nanosekunder, smälter metallen. Under massiv komprimering, gasen inuti vill spricka ut, orsakar ett ovälkommet resultat:Kapseln exploderar innan fusion kan nås. Ett sätt att förstå denna dynamik, förklarar Banerjee, är att föreställa sig en ballong som kläms.

"När ballongen komprimeras, luften inuti trycker mot materialet som begränsar det, försöker flytta ut, "säger Banerjee." Någon gång, ballongen spricker under tryck. Samma sak händer i en fusionskapsel. Blandningen av gasen och den smälta metallen orsakar en explosion. "

För att förhindra blandning, tillägger Banerjee, du måste förstå hur den smälta metallen och den uppvärmda gasen blandas i första hand.

Att göra detta, hans grupp kör experiment som efterliknar förhållandena för tröghetsbegränsning, isolera fysiken genom att ta bort temperaturgradienten och kärnreaktionerna.

Banerjee och hans team har lagt mer än fyra år på att bygga en enhet specifikt för dessa experiment. Inrymt på första våningen i Lehigh's Packard Laboratory, experimentet är det enda i sitt slag i världen, eftersom den kan studera blandning av två vätskor vid förhållanden som är relevanta för de som är i tröghetsfusion. Toppmodern utrustning finns också för diagnos av flödet. Projekten finansieras av energidepartementet, Los Alamos National Laboratory och National Science Foundation.

Ett av de sätt som forskare som Banerjee efterliknar den smälta metallen är genom att använda majonnäs. Materialegenskaperna och dynamiken hos metallen vid en hög temperatur är ungefär som för majonnäs vid låg temperatur, han säger.

Teamets enhet återskapar den otroliga hastighet med vilken gasen och den smälta metallen blandas. De samlar in data från de experiment de kör och matar sedan in dem i en modell som utvecklas på Los Alamos National Lab.

"De har tagit ett mycket komplicerat problem och isolerat det i sex eller sju mindre problem, "förklarar Banerjee." Det finns materialvetare som arbetar med vissa aspekter av problemet; det finns forskare som jag som är inriktade på vätskemekaniken - alla matar in i olika modeller som kommer att kombineras i framtiden. "