Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Bioinspirowane urządzenie do wytwarzania plazmy w wodzie
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Nauki przyrodnicze
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
W jednym z laboratoriów na Imperial College London odtworzono wirujący dysk plazmy, z tych, jakie otaczają czarne dziury i tworzące się gwiazdy. Eksperyment pozwala lepiej modelować procesy, zachodzące w takich dyskach, a naukowcy mają nadzieję, że dzięki temu dowiedzą się, jak rosną czarne dziury i powstają gwiazdy.
Gdy materia zbliża się do czarnej dziury, jest rozgrzewana i staje się plazmą, czwartym stanem materii składającym się z naładowanych jonów i wolnych elektronów. Zaczyna też się obracać, tworząc dysk akrecyjny. W wyniku obrotu powstają siły odśrodkowe odrzucające plazmę na zewnątrz, jednak siły te równoważy grawitacja czarnej dziury.
Naukowcy chcą poznać odpowiedź na pytanie, w jaki sposób czarna dziura rośnie, skoro materia – w formie plazmy – pozostaje na jej orbicie. Najbardziej rozpowszechniona teoria mówi, że niestabilności w polu magnetycznym plazmy prowadzą do pojawienia się tarcia, plazma traci energię i wpada do czarnej dziury.
Dotychczas mechanizm ten badano za pomocą ciekłych wirujących metali. Za ich pomocą sprawdzano, co dzieje się, gdy pojawi się pole magnetyczne. Jednak metale te zamknięte są w rurach, co nie oddaje w pełni swobodnie poruszającej się plazmy.
Doktor Vincente Valenzuela-Villaseca i jego zespół wykorzystali urządzenie Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments (MAGPIE) do stworzenia wirującego dysku plazmy. Za jego pomocą przyspieszyli osiem strumieni plazmy i doprowadzili do ich zderzenia, w wyniku czego powstała obracająca się kolumna plazmy. Odkryli, że im bliżej środka, tym plazma porusza się szybciej. To ważna cecha dysków akrecyjnych.
MAGPIE generuje krótkie impulsy plazmy, przez co w utworzonym dysku dochodziło tylko do jednego obrotu. Jednak liczbę obrotów będzie można zwiększyć wydłużając czas trwania impulsów plazmy. Przy dłużej istniejących dyskach możliwe będzie też zastosowanie pól magnetycznych i zbadanie ich wpływu na plazmę. Zaczynamy badać dyski akrecyjne w nowy sposób, zarówno za pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń, jak i naszego eksperymentu. Pozwoli nam to przetestować różne teorie i sprawdzić, czy zgadzają się one z obserwacjami, mówi Valenzuela-Villaseca.
Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Physical Review Letters.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Wyniesienie ładunku w przestrzeń kosmiczną wymaga olbrzymich ilości paliwa. Loty pozaziemskie są przez to niezwykle kosztowne. Jednak nowy rodzaj silnika, zwanego silnikiem rakietowy z rotującą detonacją (RDRE – rotating detonation engine), może spowodować, że rakiety nie tylko będą zużywały mniej paliwa, ale będą też lżejsze i mniej skomplikowane. Problem jednak w tym, że w chwili obecnej silnik taki jest zbyt nieprzewidywalny, by zastosować go w praktyce.
Naukowcy z University of Washington opublikowali na łamach Physical Review E opracowany przez siebie matematyczny model pracy takiego silnika. Dzięki temu inżynierowie mogą po raz pierwszy stworzyć testy pozwalające na udoskonalenie RDRE i spowodowanie, by były one bardziej stabilne.
Badania nad silnikami rakietowymi z rotującą detonacją wciąż znajdują się na wczesnym etapie. Mamy olbrzymią ilość danych na temat tych silników, ale wciąż nie rozumiemy, jak to wszystko działa. Spróbowałem na nowo przepisać nasze dane, ale patrząc na nie pod kątem występujących wzorców, a nie z inżynieryjnego punktu widzenia i nagle okazało się, że to działa, mówi główny autor badań, doktorant James Koch.
Konwencjonalny silnik rakietowy spala paliwo i wyrzuca je z tyłu, by uzyskać ciąg. RDRE spala paliwo w inny sposób. Składa się z koncentrycznych cylindrów. Paliwo wpływa pomiędzy cylindry i tam zostaje zapalone, co powoduje gwałtowne uwolnienie się ciepła w postaci fali uderzeniowej. To silny impuls pochodzący z gazów o znacznie wyższej temperaturze i ciśnieniu, który porusza się szybciej niż prędkość dźwięku, wyjaśnia Koch.
Proces spalania to tak naprawdę eksplozja, ale po tym pierwszym gwałtownym impulsie można tam zaobserwować liczne stabilne impulsy, podczas których spalane jest paliwo. Generowane są w ten sposób wysokie ciśnienie i temperatura, które generują ciąg, dodaje.
W konwencjonalnych silnikach mamy ponadto liczne podzespoły odpowiedzialne za kierowanie i kontrolowanie reakcji spalania tak, by można było ją wykorzystać do uzyskania ciągu. Jednak w RDRE te wszystkie podzespoły nie są potrzebne. Napędzana procesem spalania fala uderzeniowa w sposób naturalny przemieszcza się w komorze spalania. Minusem tego rozwiązania jest fakt, że nie można tego kontrolować. Gdy już wybuchnie, to reszta toczy się swoją drogą. To bardzo gwałtowny proces, dodaje Koch.
Uczeni, chcąc stworzyć matematyczny model pracy takiego silnika, zbudowali taki niewielki silnik. Próbowali kontrolować różne jego parametry, takie jak np. rozmiary przestrzeni pomiędzy cylindrami. Wszystko nagrywali za pomocą szybkiej kamery. Mimo, że każdy z eksperymentów trwał jedynie 0,5 sekundy, to dzięki kamerze pracującej z prędkością 240 000 klatek na sekundę, byli w stanie szczegółowo obserwować cały proces. Na tej podstawie powstał opisujący go model matematyczny.
To jedyny istniejący model opisujący zróżnicowane i złożone dynamiczne procesy zachodzące w silniku rakietowym z rotującą detonacją, mówi profesor matematyki J. Nathan Kutz.
Model nie jest jeszcze gotowy do wykorzystania przez inżynierów. Moim zadaniem było jedynie odtworzenie zachowania impulsów, które widzieliśmy podczas eksperymentów. Upewnienie się, że wyniki obliczeń są takie same, jak wyniki eksperymentów. Zidentyfikowałem główne zjawiska fizyczne i określiłem ich interakcje. Teraz mogę dokonać opisu ilościowego. Gdy już będzie on gotowy, możemy zacząć dyskusje na temat ulepszania silnika, wyjaśnia Koch.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory zauważyli, że jony w reaktorze fuzyjnym zachowują się inaczej, niż wynika z obliczeń. Prowadzone w NIF badania dadzą lepszy wgląd w działanie reaktorów fuzyjnych, w których reakcja inicjowana jest za pomocą potężnych impulsów laserowych.
Specjaliści z całego świata próbują odtworzyć reakcje fuzji jądrowej zachodzące na Słońcu. Ich opanowanie dałoby ludzkości niemal nieograniczone źródło czystej energii. W NIF wykorzystuje się zespół 192 laserów, za pomocą których kompresuje się kapsułki z trytem i deuterem, zapoczątkowując fuzję jądrową. To koncepcja znana jako ICF (Inertial Confinement Fusion – inercyjne uwięzienie plazmy) Przed kilkoma dniami na łamach Nature Physics opublikowano artykuł, z którego dowiadujemy się, że zmierzona energia neutronów – przynajmniej podczas najbardziej intensywnej fazy fuzji – jest wyższa niż spodziewana.
To oznacza, że jony biorące udział w fuzji mają większą energię. To coś czego się nie spodziewaliśmy i nie byliśmy w stanie przewidzieć na podstawie standardowych równań opisujących ICF, mówi fizyk Alastair Moore, główny autor artykułu.
Eksperci nie są pewni, co spowodowało obserwowane zjawisko, podkreślają jednak, że to jeden z najbardziej bezpośrednich pomiarów jonów biorących udział w fuzji. Pomiary oznaczają, że teoretycy będą musieli zmodyfikować teorie i wzory, którymi posługują się specjaliści z NIF. Jest tutaj też powód do optymizmu. Dzięki lepszym teoriom wyjaśniającym obserwowane zjawiska, być może uda się opracować metodę zainicjowania długotrwałej samopodtrzymującej się reakcji.
Zaobserwowanie niespodziewanego zachowania jonów było możliwe dzięki opracowaniu nowej technologii detektorów, nazwanej Cherenkov nToF. Dzięki niej niepewność odnośnie prędkości neutronów wynosi zaledwie 5 km/s czyli 1/10 000. Średnia energia neutronów uzyskiwana podczas reakcji w NIF oznacza, że poruszają się one z prędkością ponad 51 000 km/s.
Jednym z możliwych wyjaśnień zaobserwowanego zjawiska jest stwierdzenie, że jony deuteru i trytu nie są w równowadze. Potrzebujemy bardziej zaawansowanych symulacji, by to zrozumieć. Współpracujemy na tym polu z Los Alamos National Laboratory, Imperial College London i MIT, dodaje Moore.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fuzja jądrowa to szansa na produkcję taniej, czystej i bezpiecznej energii. Jednak do jej przeprowadzenia konieczne jest, by plazma w centrum reaktora miała temperaturę około 100 milionów stopni Celsjusza. Jednocześnie trzeba zabezpieczyć reaktor, by się nie roztopił. Dlatego krawędź plazmy musi być izolowana od ścian reaktora. Problem w tym, że na krawędzi pojawiają się niestabilności plazmy brzegowej (ELMs). Powodują one, że cząstki plazmy mogą docierać do ścian reaktora i go uszkadzać.
Naukowcy z Unwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien) i Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Garching zaprezentowali sposób operowania reaktorami termojądrowymi, który – akceptując niewielkie niestabilności brzegowe – unika problemu pojawiania się dużych niestabilności zagrażających integralności reaktora.
W toroidalnych tokamakach ultragorące cząstki plazmy poruszają się z wielką prędkością, a potężne magnesy utrzymują je w odpowiedniej odległości od ścian reaktora. Jednak plazmy nie można całkowicie odizolować od reaktora, gdyż trzeba dodawać paliwo i usuwać hel, powstający podczas reakcji.
Ruch cząstek plazmy zależy od jej gęstości, temperatury i pola magnetycznego. To elementy, którymi można manipulować, uzyskując różne parametry pracy reaktora. Już kilka lat temu wykazano, że jeśli za pomocą pola magnetycznego nieco zdeformujemy plazmę tak, by jej przekrój nie był eliptyczny, a przypominał trójkąt z zaokrąglonymi rogami i jednocześnie zwiększymy gęstość plazmy na brzegach, unikniemy powstawania najbardziej niebezpiecznych niestabilności brzegowych (ELMs) typu I. Sądzono jednak, że taki scenariusz sprawdzi się tylko w niewielkich maszynach i nie działa w większych reaktorach. Nasze symulacje i eksperymenty pokazują jednak, że w ten sposób można uniknąć niebezpiecznych niestabilności pracy nawet przy parametrach pracy takich reaktorów jak ITER, mówi Lidija Radovanovic, doktorantka z TU Wien.
W plazmie o trójkątnym przekroju i przy kontrolowanym wstrzykiwaniu dodatkowych cząstek na krawędziach, dochodzi do tysięcy małych niestabilności na sekundę. Te niewielkie wyrzuty cząstek trafiają w ściany reaktora szybciej, niż jest on w stanie się rozgrzać i schłodzić. Zatem te niestabilności nie wpływają zbytnio na ściany, wyjaśnia główny autor badań, Georg Harrer. Jednocześnie wykazano, że te niewielkie niestabilności zapobiegają powstawaniu dużych niestabilności, groźnych dla reaktora. To jak gotowanie pod przykryciem. Jeśli szczelnie zakryjemy garnek z gotującą się wodą, pod pokrywką wzrośnie ciśnienie i w końcu pokrywka zacznie się unosić i opadać, a para będzie gwałtownie wydobywała. Jeśli jednak pozostawimy niewielką szczelinę, para będzie uchodziła, a pokrywka pozostanie stabilna, dodaje Harrer.
To już kolejne w ostatnim czasie badania, która przybliżają nas do momentu opanowania reakcji termojądrowej. Ostatnio informowaliśmy o opracowaniu systemu zabezpieczaniu ścian reaktora bez jego wyłączania, który – jak się okazało – poprawia przy okazji stabilność plazmy.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Podczas otwierania butelki szampana powstaje naddźwiękowa fala uderzeniowa, informują naukowcy z Francji i Indii. Symulacje z zakresu dynamiki płynów pozwoliły zbadać tworzenie się, ewolucję i rozpraszanie fali uderzeniowej wydobywającej się z szyjki butelki. Badania nad otwieraniem szampana mogą dostarczyć cennych informacji nt. naddźwiękowego przepływu cieczy zarówno w rakietach kosmicznych, pociskach balistycznych czy turbinach wiatrowych. Znajdą one zastosowania przy produkcji elektroniki, jak i budowie pojazdów podwodnych.
Chcieliśmy lepiej zrozumieć niespodziewane zjawisko naddźwiękowego przepływu, który ma miejsce podczas otwierania szampana. Mamy nadzieję, że nasze symulacje dostarczą pożytecznych wskazówek naukowcom, którzy mogą potraktować butelkę szampana jak mini laboratorium, mówi współautor badań, Robert Georges z Université de Rennes 1.
W czasie początkowej fazy odkorkowywania, mieszanina gazów jest częściowo blokowana przez korek, co zapobiega osiągnięciu prędkości dźwięku przez buzujący pod korkiem płyn. W miarę, jak korek opuszcza szyjkę, mieszanina gazów uchodzi z butelki promieniście, równoważąc swoje ciśnienie za pomocą kolejnych fal uderzeniowych. Fale te tworzą wzór diamentów Macha, wzorców typowych dla silników odrzutowych. Symetryczny kształt butelki powoduje, że uchodzący z naddźwiękową prędkością gaz ma kształt korony. W końcu ciśnienie spada na tyle, że prędkość ulatniającego się gazu jest mniejsza niż prędkość dźwięku.
Teraz naukowcy chcą zbadać inne parametry wpływające na cały proces, takie jak temperatura, objętość, średnica szyjki oraz procesy fizykochemiczne towarzyszące odkorkowywaniu butelki szampana. Chcieliby na przykład sprawdzić, jak tworzenie się kryształów lodu, spowodowane nagłym spadkiem temperatury rozprężających się gazów, wpływa na ich naddźwiękowy przepływ.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.