Fuente: NASA/SDO
Los físicos teóricos del Imperial College de Londres han descubierto un mecanismo de calentamiento extremadamente rápido con el que creen que podrían calentar ciertos materiales a diez millones de grados, en mucho menos de un millón de millonésima de segundo.
Esto se llevará a cabo con láseres capaces de calentar materiales a temperaturas muy superiores a las del centro del sol, en sólo 20 cuatrillones de segundo.
El método, que aquí se propone por primera vez, podría ser relevante para nuevas vías de investigación en energía de fusión termonuclear, un campo en el que los científicos están tratando de replicar la capacidad del Sol para producir energía limpia.
Asimismo, la capacidad de calentamiento sería 100 veces más rápida que las tasas actualmente observadas en los experimentos de fusión llevados a cabo mediante el sistema láser más energético del mundo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. El objetivo de este equipo de científicos es poder llevar este método a la práctica.
Energía de fusión
Durante muchos años, los investigadores han utilizado láseres de alta potencia para calentar materiales, como parte de los esfuerzos para el desarrollo de la energía de fusión. En este nuevo estudio, los físicos del Imperial estaban buscando nuevas formas de calentar de forma directa los iones, que son las partículas que constituyen el grueso de la materia.
Cuando los científicos utilizan los láseres para calentar materiales, la energía del láser calienta primero los electrones, y estos a su vez calientan los iones. Con estos pasos, el proceso es más lento que si el calor se dirigiera directamente a los iones.
Así, el equipo descubrió que cuando un láser de alta intensidad calienta un determinado tipo de material, se genera una onda de choque electrostático que puede calentar directamente los iones. Este nuevo descubrimiento se publica en la revista Nature Communications.
“Es un resultado completamente inesperado. Uno de los problemas con la investigación de la fusión ha sido conseguir la energía del láser en el lugar correcto y en el momento adecuado. Este método pone la energía directamente en los iones”, explica el autor principal del artículo, el Dr. Arthur Turrell.
Esto se llevará a cabo con láseres capaces de calentar materiales a temperaturas muy superiores a las del centro del sol, en sólo 20 cuatrillones de segundo.
El método, que aquí se propone por primera vez, podría ser relevante para nuevas vías de investigación en energía de fusión termonuclear, un campo en el que los científicos están tratando de replicar la capacidad del Sol para producir energía limpia.
Asimismo, la capacidad de calentamiento sería 100 veces más rápida que las tasas actualmente observadas en los experimentos de fusión llevados a cabo mediante el sistema láser más energético del mundo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. El objetivo de este equipo de científicos es poder llevar este método a la práctica.
Energía de fusión
Durante muchos años, los investigadores han utilizado láseres de alta potencia para calentar materiales, como parte de los esfuerzos para el desarrollo de la energía de fusión. En este nuevo estudio, los físicos del Imperial estaban buscando nuevas formas de calentar de forma directa los iones, que son las partículas que constituyen el grueso de la materia.
Cuando los científicos utilizan los láseres para calentar materiales, la energía del láser calienta primero los electrones, y estos a su vez calientan los iones. Con estos pasos, el proceso es más lento que si el calor se dirigiera directamente a los iones.
Así, el equipo descubrió que cuando un láser de alta intensidad calienta un determinado tipo de material, se genera una onda de choque electrostático que puede calentar directamente los iones. Este nuevo descubrimiento se publica en la revista Nature Communications.
“Es un resultado completamente inesperado. Uno de los problemas con la investigación de la fusión ha sido conseguir la energía del láser en el lugar correcto y en el momento adecuado. Este método pone la energía directamente en los iones”, explica el autor principal del artículo, el Dr. Arthur Turrell.
Ondas de choque y densidad de materiales
Normalmente, las ondas de choque electrostáticas inducidas por un láser empujan los iones por delante de ellas, haciendo que se aceleren lejos de la onda de choque, pero sin calentarse.
Sin embargo, utilizando un sofisticado modelo supercomputacional, el equipo descubrió que si un material contiene combinaciones especiales de iones, estos pueden ser acelerados por la onda de choque a velocidades diferentes. La aceleración provoca una fricción que a su vez hace que los iones se calienten más rápidamente. Este efecto es más fuerte en los sólidos con dos tipos de iones, como los plásticos por ejemplo.
"Los dos tipos de iones actúan como las cerillas y su caja, ambos se necesitan", explicó el coautor del estudio, el Dr. Mark Sherlock del Departamento de Física del Imperial College London. "Un montón de cerillas no se encenderán por su cuenta, ya que necesitan la fricción causada al rozar con la caja."
"Que el material utilizado importara tanto fue una sorpresa en sí misma", añadió el coautor del estudio el profesor Steven Rose. "En los materiales con un solo tipo de iones, el efecto desaparece por completo".
Este calentamiento es tan rápido en parte porque el material usado es más denso. Los iones se aprietan creando una densidad casi diez veces superior a la usual en un material sólido, a medida que la onda de choque electrostático pasa, haciendo que el efecto de fricción sea mucho más fuerte de lo que sería en un material menos denso, por ejemplo en un gas.
"Los cambios de temperatura más rápidos ocurren cuando los átomos chocan juntos en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones, pero estas colisiones son entre pares individuales de partículas", señala el Dr. Turrell. "La técnica propuesta, se podría explorar en muchas instalaciones láser de todo el mundo".
Si se demuestra experimentalmente, este hallazgo podría suponer alcanzar la velocidad de calentamiento más rápida jamás demostrada en un laboratorio para un número significativo de partículas.
Normalmente, las ondas de choque electrostáticas inducidas por un láser empujan los iones por delante de ellas, haciendo que se aceleren lejos de la onda de choque, pero sin calentarse.
Sin embargo, utilizando un sofisticado modelo supercomputacional, el equipo descubrió que si un material contiene combinaciones especiales de iones, estos pueden ser acelerados por la onda de choque a velocidades diferentes. La aceleración provoca una fricción que a su vez hace que los iones se calienten más rápidamente. Este efecto es más fuerte en los sólidos con dos tipos de iones, como los plásticos por ejemplo.
"Los dos tipos de iones actúan como las cerillas y su caja, ambos se necesitan", explicó el coautor del estudio, el Dr. Mark Sherlock del Departamento de Física del Imperial College London. "Un montón de cerillas no se encenderán por su cuenta, ya que necesitan la fricción causada al rozar con la caja."
"Que el material utilizado importara tanto fue una sorpresa en sí misma", añadió el coautor del estudio el profesor Steven Rose. "En los materiales con un solo tipo de iones, el efecto desaparece por completo".
Este calentamiento es tan rápido en parte porque el material usado es más denso. Los iones se aprietan creando una densidad casi diez veces superior a la usual en un material sólido, a medida que la onda de choque electrostático pasa, haciendo que el efecto de fricción sea mucho más fuerte de lo que sería en un material menos denso, por ejemplo en un gas.
"Los cambios de temperatura más rápidos ocurren cuando los átomos chocan juntos en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones, pero estas colisiones son entre pares individuales de partículas", señala el Dr. Turrell. "La técnica propuesta, se podría explorar en muchas instalaciones láser de todo el mundo".
Si se demuestra experimentalmente, este hallazgo podría suponer alcanzar la velocidad de calentamiento más rápida jamás demostrada en un laboratorio para un número significativo de partículas.
Referencia bibliográfica:
A. E. Turrell, M. Sherlock, S. J. Rose. Ultrafast collisional ion heating by electrostatic shocks. Nature Communications, 2015; 6: 8905 DOI: 10.1038/ncomms9905.
A. E. Turrell, M. Sherlock, S. J. Rose. Ultrafast collisional ion heating by electrostatic shocks. Nature Communications, 2015; 6: 8905 DOI: 10.1038/ncomms9905.