Ερευνητές έλιωσαν διαμάντι και ανακάλυψαν κάτι εξαιρετικά κρίσιμο για την Πυρηνική Σύντηξη

Σύνοψη

• Ερευνητές του Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) κατάφεραν να λιώσουν διαμάντι υπό ακραίες πιέσεις, επιλύοντας μια επιστημονική διαφωνία που διαρκούσε είκοσι χρόνια σχετικά με τη θερμοκρασία τήξης του υλικού.
• Το πείραμα απέδειξε ότι το διαμάντι διατηρεί την κρυσταλλική του δομή μέχρι τη στιγμή της πλήρους τήξης του, παρακάμπτοντας την ενδιάμεση φάση BC8, ενώ το στερεό διαμάντι επιπλέει στον υγρό άνθρακα ακριβώς όπως ο πάγος στο νερό.
• Η νέα ανακάλυψη αναμένεται να βελτιώσει δραματικά τα πειράματα αδρανειακής σύντηξης, επιτρέποντας τη χρήση πιο αργών κρουστικών κυμάτων που μπορούν να τριπλασιάσουν τη συνολική παραγόμενη ενεργειακή απόδοση.
• Τα νέα εργαστηριακά δεδομένα ρίχνουν φως στο απρόσιτο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων του ηλιακού μας συστήματος, όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, ενισχύοντας τα μοντέλα που προβλέπουν τον σχηματισμό φαινομένων «βροχής διαμαντιών».

Η επιστημονική κοινότητα θεωρούσε ανέκαθεν το διαμάντι ως έναν από τους σκληρότερους και πιο ανθεκτικούς κρυστάλλους που απαντώνται στη φύση, όμως η συμπεριφορά του κάτω από συνθήκες ακραίας πίεσης και θερμοκρασίας παρέμενε ένα δυσεπίλυτο αίνιγμα που δίχαζε τους φυσικούς για περισσότερες από δύο δεκαετίες. 

Μια νέα μελέτη από τους ερευνητές του Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) έρχεται να ρίξει φως στις θερμοδυναμικές ιδιότητες του άνθρακα, αποδεικνύοντας όχι μόνο ότι το διαμάντι μπορεί να λιώσει, αλλά και ότι η διαδικασία αυτή κρύβει εκπλήξεις που επηρεάζουν άμεσα το μέλλον της καθαρής ενέργειας. 

Μέσα από πειράματα που προσομοιώνουν τις χαοτικές συνθήκες που επικρατούν στους πυρήνες μακρινών πλανητών, οι επιστήμονες κατάφεραν να καταγράψουν με ακρίβεια τη μετάβαση φάσης του υλικού, προσφέροντας πολύτιμα δεδομένα που εναρμονίζουν πλέον τις θεωρητικές προσομοιώσεις της κβαντικής μηχανικής με τις πραγματικές εργαστηριακές παρατηρήσεις.

Πώς η τήξη του διαμαντιού ενισχύει την πυρηνική σύντηξη;

Η ακριβής κατανόηση της τήξης του διαμαντιού επιτρέπει στους επιστήμονες να χρησιμοποιήσουν ελαφρώς πιο αργά κρουστικά κύματα κατά τη διαδικασία της αδρανειακής σύντηξης. Αυτή η στρατηγική προσέγγιση καθιστά το πυρηνικό καύσιμο σημαντικά πιο συμπιέσιμο μέσα στην κάψουλα, γεγονός που σύμφωνα με τα αναθεωρημένα προγνωστικά μοντέλα μπορεί να αυξήσει την παραγόμενη ενέργεια της αντίδρασης έως και τρεις φορές σε σχέση με τις τρέχουσες αποδόσεις.

Η επίλυση ενός επιστημονικού μυστηρίου δύο δεκαετιών

Η έρευνα γύρω από τις ακραίες καταστάσεις του άνθρακα έχει μακρά ιστορία στο LLNL, ξεκινώντας σχεδόν είκοσι χρόνια πριν, όταν ο ερευνητής Jon Eggert και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν τα πρώτα πειράματα τήξης υπό υψηλή πίεση, παρατηρώντας τότε μια απροσδόκητη συμπεριφορά. Παρά την τεχνολογική πρόοδο της εποχής, υπήρχε μια σταθερή και δυσεξήγητη απόκλιση της τάξης του 20% ανάμεσα στη θερμοκρασία τήξης που καταγραφόταν στο εργαστήριο και σε εκείνη που προέβλεπαν τα θεωρητικά υπολογιστικά μοντέλα, με τη διαφορά να αγγίζει τους 1.000 βαθμούς. Για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα, η νέα ερευνητική ομάδα, υπό την καθοδήγηση του Marius Millot, αξιοποίησε τις υπερσύγχρονες εγκαταστάσεις OMEGA Laser Facility στο Πανεπιστήμιο του Rochester.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πανίσχυρους παλμούς λέιζερ για να εξαερώσουν το εξωτερικό στρώμα μικροσκοπικών δειγμάτων διαμαντιού, προκαλώντας ένα σφοδρό κρουστικό κύμα που διέτρεξε το εσωτερικό τους, δημιουργώντας αστρονομικές πιέσεις μεταξύ 600 gigapascals και 1,8 terapascals. Το κρίσιμο στοιχείο της επιτυχίας ήταν η ικανότητα λήψης μετρήσεων περίθλασης ακτίνων Χ μέσα σε ένα απειροελάχιστο χρονικό παράθυρο της τάξης του ενός δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, ενώ το υλικού συμπιεζόταν σε θερμοκρασίες υψηλότερες από την επιφάνεια του Ήλιου. Επειδή ο άνθρακας είναι ένα ελαφρύ στοιχείο που σκεδάζει πολύ λίγες ακτίνες Χ, η λήψη ενός καθαρού σήματος αποτελούσε έναν τεράστιο τεχνικό άθλο. Τα νέα εργαστηριακά δεδομένα τοποθέτησαν οριστικά τη θερμοκρασία τήξης στους 7.300 βαθμούς Kelvin υπό πίεση ενός terapascal, γεφυρώνοντας επιτέλους το χάσμα μεταξύ πειράματος και θεωρίας με εντυπωσιακή ακρίβεια.

Η παράκαμψη της φάσης BC8 και το φαινόμενο της πλευστότητας

Ένα δεύτερο, εξίσου σημαντικό ερώτημα που βασάνιζε τους φυσικούς αφορούσε τη δομική μεταβολή του κρυστάλλου λίγο πριν την τήξη του. Σύμφωνα με προηγούμενες αναλύσεις που είχαν διεξαχθεί στα Sandia National Laboratories, υπήρχε η θεωρητική πρόβλεψη ότι γύρω στο ένα terapascal πίεσης, το αυστηρά οργανωμένο ατομικό πλέγμα του διαμαντιού θα μετατρεπόταν προσωρινά σε μια διαφορετική στερεή φάση του άνθρακα, γνωστή ως BC8, προτού τελικά υγροποιηθεί. Ωστόσο, καθώς οι επιστήμονες του LLNL αύξαναν προοδευτικά την πίεση στο πείραμά τους, παρατήρησαν μέσω της περίθλασης ακτίνων Χ ότι το σήμα της κρυσταλλικής δομής απλώς εξασθενούσε σταδιακά, μέχρι που εξαφανίστηκε εντελώς χωρίς καμία απολύτως ένδειξη εμφάνισης της φάσης BC8. Ο άνθρακας παρέμεινε εγκλωβισμένος στην κυβική δομή του διαμαντιού καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας. Οι ερευνητές συμπεραίνουν ότι, παρόλο που η μορφή BC8 μπορεί να είναι θερμοδυναμικά ευνοϊκότερη σε αυτές τις πιέσεις, ο διαχωρισμός και η αναδιάταξη των εξαιρετικά ισχυρών δεσμών του άνθρακα απαιτεί τεράστια ποσά ενέργειας και χρόνου που απλώς δεν είναι διαθέσιμα κατά τη διάρκεια της κρούσης ενός στιγμιαίου κύματος.

Το πιο συναρπαστικό, όμως, χαρακτηριστικό αυτής της μετάβασης είναι η συμπεριφορά της πυκνότητας του υλικού. Όπως ακριβώς ο συμπαγής πάγος είναι λιγότερο πυκνός από το υγρό νερό και συνεπώς επιπλέει στην επιφάνεια του, έτσι και το στερεό διαμάντι υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες αποδεικνύεται λιγότερο πυκνό από τον υγρό άνθρακα στον οποίο λιώνει. Αυτή η μη αναμενόμενη θερμοδυναμική ιδιαιτερότητα δημιουργεί ένα παράδοξο φαινόμενο όπου, σε ένα συγκεκριμένο εύρος τήξης, η περαιτέρω αύξηση της πίεσης στην πραγματικότητα μειώνει τη θερμοκρασία που απαιτείται για να λιώσει το υλικό, ανατρέποντας την κοινή λογική που ισχύει για τα περισσότερα στερεά σώματα.

Οι πρακτικές εφαρμογές στην Αδρανειακή Σύντηξη και το NIF

Οι επιπτώσεις αυτών των ανακαλύψεων είναι τεράστιες για τις ενεργειακές έρευνες που διεξάγονται στο National Ignition Facility (NIF) του LLNL. Κατά τη διαδικασία της αδρανειακής σύντηξης, οι επιστήμονες κατευθύνουν 192 πανίσχυρες δέσμες λέιζερ σε έναν μικροσκοπικό κύλινδρο που περιέχει μια σφαιρική κάψουλα κατασκευασμένη από διαμάντι υψηλής πυκνότητας. Στο εσωτερικό αυτής της κάψουλας βρίσκεται το πολύτιμο καύσιμο της σύντηξης, ένα μείγμα ισοτόπων υδρογόνου, δηλαδή δευτερίου και τριτίου. Τα λέιζερ εξαερώνουν ακαριαία την εξωτερική επιφάνεια του διαμαντιού, προκαλώντας μια βίαιη κατάρρευση προς τα μέσα (implosion) που συμπιέζει το καύσιμο σε συνθήκες παρόμοιες με αυτές του κέντρου του Ήλιου.

Είναι απολύτως κρίσιμο η κάψουλα από διαμάντι να λιώσει με απόλυτα ομοιόμορφο τρόπο, μετατρεπόμενη σε ένα ομαλό ρευστό, καθώς οποιαδήποτε ατέλεια κατά την τήξη μπορεί να προκαλέσει αστάθειες και να καταστρέψει τη συμμετρία της σύνθλιψης, αποτρέποντας την επιτυχή πυροδότηση της αντίδρασης. Μέχρι σήμερα, για να εξασφαλίσουν την πλήρη τήξη του υλικού, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν ένα εξαιρετικά ισχυρό πρώτο κρουστικό κύμα. Όμως, με τα νέα δεδομένα που επιβεβαιώνουν την ακριβή συμπεριφορά τήξης, οι ερευνητές μπορούν πλέον να επανασχεδιάσουν τον παλμό των λέιζερ, επιλέγοντας πιο ήπια και ελαφρώς πιο αργά αρχικά κρουστικά κύματα. Αυτή η μικρή αλλά στρατηγική αλλαγή επιτρέπει στο υδρογονικό καύσιμο να παραμείνει πιο κρύο και να γίνει δραστικά πιο συμπιέσιμο στα μεταγενέστερα στάδια της διαδικασίας, αυξάνοντας θεωρητικά την τελική παραγωγή καθαρής ενέργειας σε επίπεδα που μπορεί να είναι έως και τρεις φορές υψηλότερα από τα σημερινά ρεκόρ.

Η σύνδεση με τους παγωμένους γίγαντες του Ηλιακού Συστήματος

Πέρα από τη συμβολή τους στην αναζήτηση αστείρευτης και καθαρής ενέργειας για τη Γη, τα πειράματα του LLNL προσφέρουν μια μοναδική ματιά σε μέρη του σύμπαντος που παραμένουν πρακτικά απρόσιτα στις διαστημικές μας αποστολές. Οι παγωμένοι γίγαντες του ηλιακού μας συστήματος, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, διαθέτουν στο βαθύ εσωτερικό τους πυκνά, ρευστά στρώματα αποτελούμενα από νερό, αμμωνία και μεθάνιο. Κάτω από τις ασύλληπτες πιέσεις που επικρατούν σε αυτά τα βάθη, οι οποίες προσομοιώθηκαν με ακρίβεια στο εργαστήριο, τα μόρια του μεθανίου διασπώνται. Ο άνθρακας που απελευθερώνεται συμπιέζεται σε κρυστάλλους διαμαντιού, οι οποίοι, όντας πυκνότεροι από το περιβάλλον μείγμα, βυθίζονται αργά προς τον πλανητικό πυρήνα. 

Καθώς η νέα μελέτη αποσαφηνίζει τις συνθήκες υπό τις οποίες ο άνθρακας διατηρεί τη στερεή του μορφή έναντι της υγρής, οι αστροφυσικοί μπορούν πλέον να κατασκευάσουν πολύ πιο ρεαλιστικά μοντέλα για να εξηγήσουν την εσωτερική δομή αυτών των πλανητών, ερμηνεύοντας ταυτόχρονα μυστηριώδη φαινόμενα, όπως τα ισχυρά μαγνητικά πεδία και η υπερβολική θερμότητα που εκπέμπει ο Ποσειδώνας στο διάστημα.

Η άποψη του Techgear

Η ικανότητα να αναπαράγουμε στιγμιαία τις ακραίες συνθήκες μακρινών πλανητών μέσα σε υπερσύγχρονα εργαστήρια, προκειμένου να βελτιώσουμε τον τρόπο με τον οποίο προσεγγίζουμε την παραγωγή ενέργειας, καταδεικνύει την αλληλένδετη φύση της βασικής και της εφαρμοσμένης έρευνας. 

Τα αποτελέσματα από το πείραμα του Lawrence Livermore National Laboratory υπενθυμίζουν ότι η εμπορική αξιοποίηση της πυρηνικής σύντηξης δεν εξαρτάται μόνο από την κατασκευή τεράστιων μαγνητών και ισχυρών λέιζερ, αλλά πρωτίστως από τη θεμελιώδη κατανόηση της επιστήμης των υλικών σε ατομικό επίπεδο. 

Εάν η θεωρητική πρόβλεψη για τον τριπλασιασμό της ενεργειακής απόδοσης στο NIF επιβεβαιωθεί στις επερχόμενες δοκιμές, η επίλυση αυτού του επιστημονικού γρίφου σχετικά με την κρυσταλλική δομή του άνθρακα θα αποτελέσει ένα από τα σημαντικότερα βήματα που έγιναν ποτέ στην πορεία της ανθρωπότητας προς την πλήρη απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα.