Friktion i plasma blir konstig i närvaro av mycket starka magnetfält, har ett team av plasmaforskare vid University of Michigan visat. Fynden kan påverka fusionsenergistrategier och utvecklingen av strålningskällor.

Journalen Plasmas fysik valde nyligen fyndet, rapporterade i en tidning med titeln, "En kinetisk modell av friktion i starkt kopplade starkt magnetiserade plasma, "som redaktörens val. Scott Baalrud, en docent i kärnteknik och radiologiska vetenskaper vid U-M och senior författare till studien, förklarade varför resultatet är viktigt.

Varför studera hur starka magnetfält påverkar plasma?

En av de mest spännande aspekterna av vetenskap är att utforska det okända. Vetenskapens historia ger många exempel som visar hur man utforskar nya regimer – små rymdskalor, hög energivåg, mycket låg temperatur, mycket hög temperatur, och så vidare – breddar vår förståelse av naturen och leder också till nya tekniska tillämpningar som görs möjliga genom att förstå dessa nya regimer.

Plasma är samlingar av laddade partiklar där vissa elektroner är separerade från kärnorna i sina atomer. Många av de användbara tillämpningarna av plasma, såsom fusionsenergi och plasmabaserad framdrivning, utnyttja förmågan att kontrollera plasmaegenskaper genom att applicera magnetiska fält. Detta är möjligt eftersom laddade partiklar gör spiralbanor i närvaro av ett magnetfält. De ritar spiralformade mönster i rymden, som formen av en DNA-sträng.

Använder dessa tekniker starkt magnetiserad plasma?

Plasma är nästan alltid svagt magnetiserade i den meningen att radierna för spiralerna som dras av partiklarna är mycket större än den skala över vilken partiklarna interagerar. Som en konsekvens, i huvudsak all plasmateori bygger på ett antagande att plasmat är svagt magnetiserat. Dock, det är fullt möjligt att skapa plasma som är starkt magnetiserade. Det här är en spännande regim att utforska eftersom vi inte vet vad vi kan förvänta oss. Allt vi egentligen vet är att våra nuvarande teorier inte gäller där – och att plasman borde bete sig på fundamentalt olika sätt.

Hur utforskade du plasma i starka magnetfält?

Med hjälp av en kombination av penna och papper matematik och superdatorsimuleringar, Louis José, en forskarassistent inom kärnteknik och radiologiska vetenskaper, och jag utvecklade en ny teori för att beskriva starkt magnetiserade plasma. Sedan, vi använde den för att utforska en grundläggande egenskap hos vilket ämne som helst:friktion. Specifikt, vi beräknade kraften på en partikel när den saktar ner i ett starkt magnetiserat plasma. Vår typiska förståelse, baserad på svagt magnetiserade plasma, är att friktion verkar för att motverka partikelns hastighet - med följden att radien på spiralen som partikeln gör blir mindre när friktionen saktar ner den.

Den nya upptäckten är att friktionen också verkar i riktningar vinkelräta mot partikelns riktning när bakgrundsplasman är starkt magnetiserad. En av dessa komponenter ändrar radien för spiralrörelsen, inklusive en icke-intuitiv egenskap att friktion kan göra att spiralen blir större med tiden under vissa förhållanden. En annan komponent påverkar frekvensen med vilken spiralrörelsen sker. Båda dessa effekter uppstår endast vid stark magnetisering och är grundläggande förändringar av ett plasmas beteende.

Varför är det viktigt att ha den här nya modellen?

Även om våra simuleringar under de senaste åren har visat några av dessa grundläggande egenskaper, simuleringar kan ge liten förståelse för varför, eller ens hur, dessa effekter uppstår. Den nya teoretiska modellen tillåter oss att förstå fysiken som är ansvarig för de beteenden som observerats i simuleringarna. Vidare, simuleringarna tar en stor mängd beräkningsresurser. Vi kan bara simulera ett begränsat antal fastigheter, i ett begränsat antal förhållanden.

Simuleringar är viktiga eftersom de ger grundläggande data att testa teorin med. Men teorin tillåter oss att modellera beteendet hos plasma under experimentella förhållanden, och det tillåter oss också att beräkna egenskaper hos starkt magnetiserade plasma som simuleringarna inte kan ge.

Hur kan dina resultat användas i den verkliga världen?

Det är i första hand utforskande forskning. Eftersom stark magnetisering förändrar partiklarnas sätt, värme, och momentum överförs genom ett plasma, det kan användas för att förbättra fusionsenergikoncept, strålningskällor, eller mer troligt, hitta på något som vi inte har tänkt på ännu.