Новая технология позволит разогреть материю до температуры, выше чем температура в ядре Солнца, за 20 квадриллионных долей секунды

Группа ученых из Лондонского имперского колледжа (Imperial College London), специализирующаяся в области теоретической физики, разработала метод, который позволит при помощи света лазеров разогреть материю до температур, превышающих температуры в ядре Солнца. При этом, разогрев может быть произведен всего за 20 квадриллионных долей секунды, что приблизительно в сто раз быстрее, чем это может сделать самая высокоэнергетическая лазерная установка National Ignition Facility (NIF), находящаяся в распоряжении ученых Национальной лаборатории имени Лоуренса в Ливерморе (Lawrence Livermore National Lab), которая используется для исследований в области термоядерного синтеза.

Термоядерный синтез считается самым перспективным неисчерпаемым источником дешевой и экологически чистой энергии. Однако, практическая реализация реакторов термоядерного синтеза требует воссоздания экстремальных условий, подобных условиям, присутствующим в центре ядра Солнца. Такие условия могут быть созданы путем воздействия мощного импульса света лазеров, точнее, множества лазеров, работа которых синхронизирована с высокой точностью. Однако, инженеры и ученые, занимающиеся подобными технологиями, сталкиваются с проблемой недостаточно высокой скорости разогрева материи, которая используется в качестве термоядерного топлива.

Согласно ученым, скорость нагрева определяется не только мощностью лазеров, лучи которых фокусируются на цели. Эти технологии должен учитывать все тонкости процессов нагрева того или иного материала. В среде высокотемпературной плазмы, в которую превращается нагреваемая материя, луч лазерного света нагревает сперва электроны, которые после этого отдают свою энергию ионам, ядрам атомов материала, на которые приходится большая часть массы материи. Такой процесс работает, но работает он относительно медленно.

Идея, которую придумали ученые из Лондонского имперского колледжа, заключается в исключении электронов из этой цепочки и в прямом нагреве ионов. Согласно доктору Артуру Терреллу (Dr Arthur Turrell), им удалось выяснить, что если некоторые материалы поразить импульсом света мощного лазера, то в этих материалах возникают так называемые электростатические ударные волны.

В данном открытии нет ничего нового, этот факт был известен ученым достаточно давно. Но ранее было принято считать, что такие ударные волны могут вызывать временные колебания атомов, не нагревая их до более высокой температуры. Однако, используя мощный суперкомпьютер, ученые произвели моделирование воздействия электростатических ударных волн в среде разных материалов совершенно различной природы, начиная от пластиков, металлов и более экзотических материалов, таких, как гидрид цезия, у которого имеется несколько ионных комбинаций. Наличие нескольких различных комбинаций обуславливает то, что ионы движутся на разных скоростях, сталкиваются и производят трение, приводящее к разогреву материала. Такие эффекты обычно не проявляются у материалов, имеющих одну единственную ионную комбинацию. За счет высокой плотности гидрида цезия ударная волна уплотняет ионы в 10 раз, что способствует пропорциональному увеличению сил трения и, как следствие, к ускорению процесса нагрева.

"Два типа ионов, возникающих в плазме гидрида цезия, действуют как спичка и спичечный коробок. Для того, чтобы получить пламя, вы нуждаетесь в обоих этих предметах" - рассказывает доктор Марк Шерлок (Dr Mark Sherlock), - "Взяв даже несколько спичек, вы не сможете получить огонь, вы нуждаетесь в трении, которое возникает при касании спички поверхности спичечного коробка".

В настоящий момент идея, предложенная физиками из Лондонского имперского колледжа, является теоретической, подкрепленной лишь результатами нескольких "пробных" экспериментов. Но эта теория была "опробована" на нескольких компьютерных моделях и все полученные результаты указывают на то, что при помощи новой технологии можно нагреть небольшое количество материи до температуры более 11.6 миллиона градусов Цельсия за десятки фемтосекунд. И основной проблемой, которая стоит сейчас перед учеными, является практическое доказательство работоспособности их теории.

"Конечно, в недрах сверхмощных ускорителей, таких, как Большой Адронный Коллайдер, в местах, где сталкиваются частицы и атомы, происходят и более быстрые изменения температуры" - рассказывает доктор Террелл, - "Предлагаемая нами технология не требует строительства специальных грандиозных установок, она может быть опробована на нескольких уже существующих в мире сверхмощных лазерах. И если нам удастся получить практическое подтверждение нашей теории, то это станет огромным прорывом в области создания управляемой реакции термоядерного синтеза".