W przełomowych badaniach, których wyniki opublikowano właśnie w periodyku Nature Communications, naukowcy odkryli, że w ekstremalnych warunkach energia nie przepływa płynnie pomiędzy materiałami, jak wcześniej sądzono, lecz ulega odbiciu. To zaskakujące zjawisko rzuca nowe światło na zachowanie energii cieplnej w plazmie o wysokiej gęstości, czyli w stanie materii występującym m.in. głęboko we wnętrzach gwiazd, ale także w eksperymentach prowadzonych nad technologią generowania energii w procesie fuzji termojądrowej.
Zespół badaczy pod kierunkiem fizyka Thomasa White’a z Uniwersytetu Nevady w Reno postawił sobie za cel zbadanie, jak ciepło zachowuje się na styku dwóch różnych materiałów w warunkach ekstremalnego ciśnienia i temperatury. Wyniki eksperymentu mogą mieć szerokie zastosowanie w wielu zaawansowanych technologiach — od energetyki fuzyjnej, przez loty hipersoniczne, aż po produkcję półprzewodników.
Czytaj także: Fuzja jądrowa nie zakończy się katastrofą. To zasługa nowej technologii
W eksperymencie przeprowadzonym przy użyciu systemu laserowego Omega-60 na Uniwersytecie w Rochester, naukowcy wygenerowali promieniowanie rentgenowskie o wysokiej energii poprzez podgrzanie cienkich warstw miedzi. Promienie te równomiernie nagrzewały następnie drut wolframowy umieszczony obok warstwy plastiku. To właśnie tutaj pojawiło się zaskoczenie. O ile bowiem wolfram osiągnął temperaturę około 99 000°C, o tyle sąsiadujący z nim plastik pozostał stosunkowo chłodny — jego temperatura wyniosła około 11 000°C.
Brak wzrostu temperatury materiału plastikowego wskazuje na to, że energia cieplna zgromadzona w wolframie nie była transportowana do plastiku, a odbijała się od granicy między materiałami wskutek obecności oporu cieplnego na styku obu materiałów. Wszystko wskazuje na to, że podobne zachowanie zachodzi także w otoczeniu przegrzanej plazmy, np. w reaktorze fuzyjnym.
Czytaj także: Fuzja jądrowa – pięć faktów, które warto znać
Starając się zrozumieć procesy zachodzące między oboma materiałami, naukowcy emitowali serię impulsów laserowych, a następnie monitorowali interakcje między materiałami. Okazało się, że nośniki ciepła były emitowane w kierunku plastiku przez wolfram, ale odbijały się od granicy między oboma materiałami i powracały z powrotem do wolframu.
To niezwykle cenna informacja dla naukowców intensywnie pracujących nad stworzenie systemu generowania energii w procesie fuzji termojądrowej, zwłaszcza takiego, w którym to lasery prowadzą do zapłonu. Im lepiej będziemy znali zachowanie energii na granicy różnych materiałów, tym lepiej będzie można projektować reaktory fuzyjne i dobierać odpowiednie materiały do ich budowy. Warto tutaj podkreślić, że dokładnie te same informacje są równie cenne dla naukowców pracujących nad budową pocisków i pojazdów hipersonicznych, które muszą mierzyć się z ekstremalnymi warunkami otoczenia podczas lotu z prędkościami co najmniej pięciokrotnie przekraczającymi prędkość dźwięku.