Le plasma dans une bouteille refroidi au laser pourrait répondre aux questions sur le soleil et la puissance de fusion – Technoguide

Les physiciens de l’Université Rice ont découvert un moyen de piéger le plasma le plus froid du monde dans une bouteille magnétique, une réalisation technologique qui pourrait faire progresser la recherche sur l’énergie propre, la météorologie spatiale et l’astrophysique.

“Pour comprendre comment le vent solaire interagit avec la Terre, ou pour générer de l’énergie propre à partir de la fusion nucléaire, il faut comprendre comment le plasma – une soupe d’électrons et d’ions – se comporte dans un champ magnétique”, a déclaré Rice Dean of Natural Sciences Tom Killian, l’auteur correspondant d’une étude publiée sur le travail dans Physical Review Letters.

En utilisant du strontium refroidi au laser, Killian et les étudiants diplômés Grant Gorman et MacKenzie Warrens ont fabriqué un plasma à environ 1 degré au-dessus du zéro absolu, soit environ -272 degrés Celsius, et l’ont brièvement piégé avec les forces des aimants environnants. C’est la première fois qu’un plasma ultra froid est confiné magnétiquement, et Killian, qui a étudié les plasmas ultra froids pendant plus de deux décennies, a déclaré que cela ouvrait la porte à l’étude des plasmas dans de nombreux contextes.

“Cela fournit un banc d’essai propre et contrôlable pour étudier les plasmas neutres dans des endroits beaucoup plus complexes, comme l’atmosphère du soleil ou les étoiles naines blanches”, a déclaré Killian, professeur de physique et d’astronomie. «C’est vraiment utile d’avoir le plasma si froid et d’avoir ces systèmes de laboratoire très propres. Commencer par un système simple, petit, bien contrôlé et bien compris vous permet d’éliminer une partie de l’encombrement et d’isoler vraiment le phénomène que vous vouloir voir.”

C’est important pour le co-auteur de l’étude Stephen Bradshaw, un astrophysicien de Rice qui se spécialise dans l’étude des phénomènes plasmatiques sur le soleil.

“Dans toute l’atomosphère du soleil, le (fort) champ magnétique a pour effet de tout modifier par rapport à ce à quoi vous vous attendriez sans champ magnétique, mais de manière très subtile et compliquée qui peut vraiment vous faire trébucher si vous n’avez pas vraiment de champ magnétique. bonne compréhension de celui-ci », a déclaré Bradshaw, professeur agrégé de physique et d’astronomie.

Les physiciens solaires obtiennent rarement une observation claire des caractéristiques spécifiques de l’atmosphère du soleil, car une partie de l’atmosphère se trouve entre la caméra et ces caractéristiques, et des phénomènes non liés dans l’atmosphère intermédiaire obscurcissent ce qu’ils aimeraient observer.

“Malheureusement, en raison de ce problème de ligne de visée, les mesures d’observation des propriétés du plasma sont associées à beaucoup d’incertitude”, a déclaré Bradshaw. “Mais à mesure que nous améliorons notre compréhension des phénomènes et, de manière cruciale, nous utilisons les résultats de laboratoire pour tester et calibrer nos modèles numériques, nous espérons pouvoir réduire l’incertitude de ces mesures.”

Le plasma est l’un des quatre états fondamentaux de la matière, mais contrairement aux solides, aux liquides et aux gaz, les plasmas ne font généralement pas partie de la vie quotidienne car ils ont tendance à se produire dans des endroits très chauds comme le soleil, un éclair ou une flamme de bougie. Comme ces plasmas chauds, les plasmas de Killian sont des soupes d’électrons et d’ions, mais ils sont refroidis par refroidissement au laser, une technique développée il y a un quart de siècle pour piéger et ralentir la matière avec la lumière.

Killian a déclaré que la configuration magnétique quadripolaire qui a été utilisée pour piéger le plasma est une partie standard de la configuration ultra-froide que son laboratoire et d’autres utilisent pour fabriquer des plasmas ultra-froids. Mais trouver comment piéger le plasma avec les aimants était un problème épineux car le champ magnétique fait des ravages avec le système optique que les physiciens utilisent pour observer les plasmas ultra froids.

“Notre diagnostic est la fluorescence induite par laser, où nous projetons un faisceau laser sur les ions de notre plasma, et si la fréquence du faisceau est juste, les ions diffuseront les photons de manière très efficace”, a-t-il déclaré. “Vous pouvez les prendre en photo et voir où se trouvent les ions, et vous pouvez même mesurer leur vitesse en regardant le décalage Doppler, comme si vous utilisiez un pistolet radar pour voir à quelle vitesse une voiture se déplace. Mais les champs magnétiques se déplacent réellement. autour des fréquences de résonance, et nous devons démêler les décalages du spectre provenant du champ magnétique des décalages Doppler que nous souhaitons observer. “

Cela complique considérablement les expériences et pour rendre les choses encore plus compliquées, les champs magnétiques changent radicalement dans tout le plasma.

“Nous devons donc traiter non seulement un champ magnétique, mais un champ magnétique qui varie dans l’espace, d’une manière raisonnablement compliquée, afin de comprendre les données et de comprendre ce qui se passe dans le plasma”, a déclaré Killian. “Nous avons passé un an à essayer de comprendre ce que nous voyions une fois que nous avons obtenu les données.”

Le comportement du plasma dans les expériences est également rendu plus complexe par le champ magnétique. C’est précisément pourquoi la technique de piégeage pourrait être si utile.

“Il y a beaucoup de complexité à mesure que notre plasma se dilate à travers ces lignes de champ et commence à ressentir les forces et à être piégé”, a déclaré Killian. “C’est un phénomène très courant, mais c’est très compliqué et nous devons vraiment comprendre.”

Un exemple de la nature est le vent solaire, des flux de plasma à haute énergie du soleil qui provoquent les aurores boréales, ou aurores boréales. Lorsque le plasma du vent solaire frappe la Terre, il interagit avec le champ magnétique de notre planète, et les détails de ces interactions ne sont toujours pas clairs. Un autre exemple est la recherche sur l’énergie de fusion, où les physiciens et les ingénieurs espèrent recréer les conditions à l’intérieur du soleil pour créer une vaste réserve d’énergie propre.

Killian a déclaré que la configuration magnétique quadripolaire que lui, Gorman et Warrens utilisaient pour embouteiller leurs plasmas ultra-froids est similaire aux conceptions développées par les chercheurs en énergie de fusion dans les années 1960. Le plasma pour la fusion doit être d’environ 150 millions de degrés Celsius, et le contenir magnétiquement est un défi, a déclaré Bradshaw, en partie à cause de questions sans réponse sur la façon dont le plasma et les champs magnétiques interagissent et s’influencent mutuellement.

“L’un des problèmes majeurs est de maintenir le champ magnétique suffisamment stable assez longtemps pour contenir réellement la réaction”, a déclaré Bradshaw. «Dès qu’il y a une petite sorte de perturbation dans le champ magnétique, il se développe et« pfft », la réaction nucléaire est ruinée.

“Pour que cela fonctionne bien, il faut garder les choses vraiment, vraiment stables”, a-t-il déclaré. “Et là encore, regarder les choses dans un très beau plasma de laboratoire vierge pourrait nous aider à mieux comprendre comment les particules interagissent avec le champ.”

La recherche a été soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l’Armée de l’air (FA9550-17-1-0391) et le programme de bourses d’études supérieures de la National Science Foundation (1842494).

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