Η ενέργεια σύντηξης αναμένεται να αποτελέσει μια βιώσιμη πηγή ενέργειας που δεν εκπέμπει διοξείδιο του άνθρακα κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για να επιτευχθεί αυτό, διεξάγεται παγκοσμίως έρευνα για τον περιορισμό πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας με τη χρήση μαγνητικών πεδίων. Για την έναρξη μιας αντίδρασης σύντηξης, σωματίδια υψηλής ενέργειας ή κύματα πρέπει να εγχυθούν από το εξωτερικό για να θερμανθεί το πλάσμα σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.
Μόλις ξεκινήσει η αντίδραση σύντηξης, εμφανίζεται η λεγόμενη αυτοθέρμανση, κατά την οποία σωματίδια υψηλής ενέργειας που παράγονται από την αντίδραση θερμαίνουν περαιτέρω το πλάσμα, επιτρέποντας τη διατήρηση της κατάστασης υψηλής θερμοκρασίας ακόμα και αν η εξωτερική θέρμανση μειωθεί. Αυτή η διαδικασία αυτοθέρμανσης είναι περίπλοκη και μεγάλες πειραματικές εγκαταστάσεις όπως ο ITER είναι απαραίτητες για την πλήρη επίδδειξή της. Ωστόσο, μια από τις βασικές διαδικασίες που υποστηρίζουν την αυτοθέρμανση -το φαινόμενο στο οποίο κύματα που παράγονται από αστάθειες του πλάσματος θερμαίνουν το ίδιο το πλάσμα- μπορεί να επαληθευτεί ακόμη και με τις τρέχουσες πειραματικές εγκαταστάσεις.
Σε αυτή τη μελέτη, πειράματα που χρησιμοποίησαν τη συσκευή Large Helical Device απέδειξαν τη διαδικασία κατά την οποία το πλάσμα θερμαίνει τον εαυτό του χρησιμοποιώντας κύματα που παράγει. Αυτό το επίτευγμα αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση των μηχανισμών αυτοθέρμανσης που είναι απαραίτητοι για την παραγωγή ενέργειας σύντηξης. Η εργασία δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Communications Physics.
Εξέταση της αστάθειας αντί της καταστολής της
Μέχρι τώρα, πιστευόταν ότι όταν το πλάσμα γίνεται ασταθές και παράγονται κύματα, το πλάσμα χάνει ενέργεια και η θερμοκρασία του πέφτει. Συνεπώς, η έρευνα επικεντρώθηκε στο πώς να κατασταλεί η αστάθεια του πλάσματος. Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον professor Katsumi Ida απομακρυνόταν από αυτή τη συμβατική σκέψη και σκέφτηκε ότι αντί να καταστέλλεται η αστάθεια, είναι πιο σημαντικό να παρατηρηθεί λεπτομερώς το ασταθές πλάσμα και να διευκρινιστούν τα χαρακτηριστικά του.
Δημιούργησαν σκόπιμα ασταθές πλάσμα και εξέτασαν την κατάστασή του λεπτομερώς. Ως αποτέλεσμα, αποκάλυψαν ένα φαινόμενο στο οποίο το πλάσμα θερμαίνει τον εαυτό του μέσω των κυμάτων που παράγει. Ήταν ήδη γνωστό ότι όταν εμφανίζονται κύματα, προκύπτει μια προσωρινή παραμόρφωση στην κίνηση των σωματίδων που αποτελούν το πλάσμα. Ωστόσο, δεν ήταν σαφές πώς άλλαζε η θερμοκρασία του πλάσματος στη συνέχεια.
Η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε λεπτομερή ανάλυση της κίνησης των σωματίδων του πλάσματος. Ανακάλυψαν ότι αφού η παραμόρφωση στη συνάρτηση κατανομής που προκλήθηκε από τα κύματα είχε επανέλθει στο φυσιολογικό, η εξάπλωση της κίνησης των σωματίδων είχε αυξηθεί. Αυτό δείχνει ότι η θερμοκρασία του πλάσματος είχε αυξηθεί.
Με άλλα λόγια, αυτή η μελέτη κατέγραψε την ακόλουθη ακολουθία γεγονότων: το πλάσμα γίνεται ασταθές, παράγονται κύματα, εμφανίζονται παραμορφώσεις στη συνάρτηση κατανομής και η εξάπλωση της συνάρτησης κατανομής αυξάνεται, δηλαδή το πλάσμα θερμαίνεται. Αυτή η μελέτη αποδεικνύει ότι τα κύματα που παράγονται από αστάθειες όχι μόνο προκαλούν απώλεια ενέργειας στο πλάσμα αλλά και το θερμαίνουν. Αυτή η ανακάλυψη παρέχει μια νέα προοπτική για την κατανόηση του μηχανισμού με τον οποίο το πλάσμα σύντηξης διατηρεί την υψηλή θερμοκρασία του.
Μια κοινή διαδικασία στη σύντηξη και το διάστημα
Επί του παρόντος, δεν υπάρχει συσκευή ικανή να αποδείξει ολόκληρη τη διαδικασία αυτοθέρμανσης στην πυρηνική σύντηξη. Η αυτοθέρμανση είναι απαραίτητη για την επίτευξη παραγωγής ενέργειας σύντηξης, και η επίδειξη έστω και ενός μόνο μέρους αυτής της διαδικασίας είναι σημαντική. Το φαινόμενο που παρατηρήθηκε σε αυτό το πείραμα -στο οποίο τα κύματα που παράγονται από αστάθειες του πλάσματος θερμαίνουν το ίδιο το πλάσμα- είναι μία από τις βασικές διεργασίες που υποστηρίζουν την αυτοθέρμανση.
Επιπλέον, αυτό το φαινόμενο -στο οποίο τα κύματα προκαλούν τη θέρμανση του πλάσματος από το ίδιο- είναι μια καθολική φυσική διαδικασία που συμβαίνει όχι μόνο στο πλάσμα σύντηξης αλλά και στο πλάσμα της μαγνητόσφαιρας της Γης. Τα ευρήματα αυτής της μελέτης γεφυρώνουν τα ξεχωριστά ερευνητικά πεδία της σύντηξης και του διαστημικού πλάσματος και αναμένεται να συμβάλουν στη μελλοντική ανάπτυξη διεπιστημονικής έρευνας.