Burbujeo, espuma y chapoteo: finalmente se observan las supuestas inestabilidades del plasma a largo plazo

«Cuando hicimos el experimento y analizamos los datos, descubrimos que teníamos algo grande», dijo Sophia Malko, física investigadora del personal de PPPL y científica principal del artículo. «Durante mucho tiempo se pensó que la observación de las inestabilidades del magneto-Rayleigh Taylor resultantes de la interacción del plasma y los campos magnéticos ocurría, pero nunca se había observado directamente hasta ahora. Esta observación ayuda a confirmar que esta inestabilidad se produce cuando el plasma en expansión encuentra campos magnéticos. No sabíamos que nuestros diagnósticos tendrían ese tipo de precisión. ¡Todo nuestro equipo está encantado!”

«Estos experimentos muestran que los campos magnéticos son muy importantes para la formación de chorros de plasma», dijo Will Fox, físico investigador del PPPL e investigador principal de la investigación publicada en Physical Review Research. «Ahora que podemos tener conocimiento de lo que genera estos chorros, podemos, en teoría, estudiar los chorros astrofísicos gigantes y aprender algo sobre los agujeros negros».

PPPL tiene experiencia mundial en el desarrollo y construcción de sensores de diagnóstico que miden propiedades como la densidad y la temperatura en el plasma en una variedad de condiciones. Este logro es uno de muchos de los últimos años que muestra cómo el laboratorio está impulsando la innovación en mediciones en física del plasma.

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Utilice una nueva técnica para producir detalles sin precedentes

El equipo mejoró una técnica de medición conocida como radiografía de protones mediante la creación de una nueva variación de este experimento que permite mediciones extremadamente precisas. Para crear el plasma, el equipo apuntó un potente láser sobre un pequeño disco de plástico. Para producir protones, hacen brillar 20 láseres en una cápsula que contiene combustible hecho de variedades de átomos de hidrógeno y helio. A medida que el combustible se calienta, se producen reacciones de fusión que producen explosiones de protones y de luz intensa conocida como rayos X.

El equipo también instaló una lámina de malla con pequeños agujeros al lado de la cápsula. A medida que los protones fluían a través de la malla, la salida se separaba en pequeños haces separados que eran doblados por los campos magnéticos circundantes. Al comparar la imagen de la malla distorsionada con una imagen no distorsionada producida por rayos X, el equipo pudo comprender cómo el plasma en expansión empujaba los campos magnéticos, lo que provocaba inestabilidades similares a remolinos en los extremos.

«Nuestro experimento fue único porque pudimos ver directamente cómo cambiaba el campo magnético con el tiempo», dijo Fox. «Podemos observar directamente cómo el campo es expulsado y reacciona al plasma en una especie de tira y afloja».

Diversificar una cartera de investigación

Los hallazgos ejemplifican cómo PPPL está ampliando su enfoque para incluir investigaciones centradas en plasma de alta densidad de energía (HED). Estos plasmas, como el creado en la cápsula de combustible de este experimento, son más calientes y más densos que los utilizados en los experimentos de fusión. «El plasma HED es un área de crecimiento apasionante para la física del plasma», afirmó Fox. «Este trabajo es parte de los esfuerzos de PPPL para avanzar en este campo. Los resultados muestran cómo el Laboratorio puede crear diagnósticos avanzados que nos brinden nuevos conocimientos sobre este tipo de plasma, que puede usarse en dispositivos de fusión láser, así como en técnicas que utilizan plasma HED para generar radiación para la fabricación de microelectrónica.

«PPPL tiene una enorme cantidad de conocimiento y experiencia en plasmas magnetizados que pueden contribuir al campo de los plasmas HED producidos por láser y ayudar a realizar contribuciones significativas», dijo Fox.

«La ciencia HED es compleja, fascinante y esencial para comprender una amplia gama de fenómenos», dijo Laura Berzak Hopkins, directora asociada del laboratorio de estrategia y asociaciones de PPPL y subdirectora de investigación. “Es increíblemente desafiante generar estas condiciones de manera controlada y desarrollar diagnósticos avanzados para mediciones de precisión. Estos interesantes resultados demuestran el impacto de integrar la amplia experiencia técnica de PPPL con enfoques innovadores”.

Más experimentos y mejores simulaciones.

Los investigadores planean trabajar en futuros experimentos que ayudarán a mejorar los modelos de expansión del plasma. «Los científicos suponían que en estas situaciones la densidad y el magnetismo varían directamente, pero resulta que esto no es cierto», afirmó Malko.

«Ahora que hemos medido estas inestabilidades con mucha precisión, tenemos la información que necesitamos para mejorar nuestros modelos y potencialmente simular y comprender los chorros astrofísicos en un mayor grado que antes», dijo Malko. «Es interesante que los humanos puedan hacer algo en un laboratorio que normalmente existe en el espacio».

CRÉDITO DE LA IMAGEN: Kyle Palmer / Departamento de Comunicaciones de PPPL

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