Νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι τα υλικά που περιβάλλουν μια αντίδραση πυρηνικής σύντηξης μπορούν να επηρεάσουν δραματικά το πόσο συχνά αυτή πραγματοποιείται, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα προσέγγιση στη μελέτη και τον έλεγχο των πυρηνικών αντιδράσεων.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Ντέιβις και το Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϊ διαπίστωσαν ότι συγκεκριμένα υλικά μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά τη σύντηξη, ιδιαίτερα σε χαμηλές ενέργειες όπου υπό κανονικές συνθήκες οι αντιδράσεις είναι εξαιρετικά σπάνιες.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Nature Communications», δημιουργεί έναν νέο ερευνητικό τομέα που οι επιστήμονες αποκαλούν «σύντηξη που καθοδηγείται από υλικά».
Η σύντηξη δεν εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία
Η πυρηνική σύντηξη τροφοδοτεί τον Ήλιο και θεωρείται μία από τις πιο υποσχόμενες πηγές ενέργειας για το μέλλον. Οι αντιδράσεις σύντηξης παράγουν επίσης νετρόνια, τα οποία χρησιμοποιούνται στην ιατρική, την επιστημονική έρευνα, την απεικόνιση και τον έλεγχο φορτίων.
Μέχρι σήμερα, τα υλικά που περιβάλλουν μια αντίδραση σύντηξης αντιμετωπίζονταν κυρίως ως παθητικά δομικά στοιχεία που πρέπει να αντέχουν στις ακραίες συνθήκες.
Η νέα μελέτη δείχνει ότι μπορεί να διαδραματίζουν πολύ πιο ενεργό ρόλο.
«Αυτό μας δίνει έναν νέο παράγοντα που μπορούμε να ρυθμίσουμε», δήλωσε ο Άρουν Περσάντ, επικεφαλής της ομάδας Επιστήμης Σύντηξης και Τεχνολογίας Δεσμών Ιόντων στο Εθνικό Εργαστήριο Μπέρκλεϊ.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δευτέριο, μια βαριά μορφή υδρογόνου που χρησιμοποιείται συχνά σε αντιδράσεις σύντηξης, και το εισήγαγαν σε λεπτά φύλλα παλλαδίου και τιτανίου.
Στη συνέχεια βομβάρδισαν τα υλικά με δέσμες ιόντων δευτερίου σε διαφορετικές ενέργειες και μέτρησαν πόσο συχνά πραγματοποιούνταν αντιδράσεις σύντηξης.
Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες αντιδράσεις σε συνθήκες όπου το δευτέριο δεν βρισκόταν μέσα σε κάποιο στερεό υλικό.
Μια απρόσμενη «πλατφόρμα» σύντηξης
Το πιο εντυπωσιακό αποτέλεσμα εμφανίστηκε στις χαμηλότερες ενέργειες, κάτω από 2,5 κιλοηλεκτρονιοβόλτ.
Σε αυτές τις συνθήκες, η θεωρία προβλέπει ότι οι αντιδράσεις σύντηξης θα πρέπει να μειώνονται απότομα.
Αντίθετα, οι επιστήμονες παρατήρησαν μια απρόσμενη σταθεροποίηση των ρυθμών σύντηξης.
Σε ορισμένα δείγματα, οι αντιδράσεις ήταν περίπου ένα πεντάκις εκατομμύριο φορές συχνότερες από εκείνες που θα πραγματοποιούνταν χωρίς την παρουσία του υλικού.
Ένα πεντάκις εκατομμύριο ισοδυναμεί με τον αριθμό 1 ακολουθούμενο από 18 μηδενικά. Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη καταλήξει στον ακριβή μηχανισμό που προκαλεί αυτό το φαινόμενο. Μία πιθανή εξήγηση είναι ότι τα ηλεκτρόνια και οι ατέλειες στη δομή των υλικών επηρεάζουν τις απωστικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ των πυρήνων του δευτερίου.
Αν αυτές οι δυνάμεις μειώνονται έστω και μερικώς, οι πυρήνες μπορούν να πλησιάσουν ευκολότερα ο ένας τον άλλο και να συντηχθούν.
Το υλικό μπορεί να λειτουργεί σαν καταλύτης
Η νέα προσέγγιση θυμίζει τον τρόπο με τον οποίο οι καταλύτες επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι, στο μέλλον, θα μπορούσαν να σχεδιάζονται ειδικά υλικά με ηλεκτρονικές δομές, ατέλειες και χημικές συνθέσεις που θα ενισχύουν συγκεκριμένες πυρηνικές αντιδράσεις.
«Έχουμε δει ότι μπορούμε να αυξήσουμε τους ρυθμούς σύντηξης, αλλά ποιο είναι το όριο;» δήλωσε ο Τζέρεμι Μάντεϊ, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Ντέιβις και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Η ομάδα θέλει τώρα να εξετάσει μεγαλύτερη ποικιλία υλικών και να μελετήσει πιο λεπτομερώς το φαινόμενο στις χαμηλότερες δυνατές ενέργειες.
Εάν οι επιστήμονες καταφέρουν να κατανοήσουν και να ελέγξουν τον μηχανισμό, η τεχνολογία θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο συμπαγείς και αποδοτικές πηγές νετρονίων.
Τέτοιες πηγές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπως ο έλεγχος φορτίων, η πλανητική επιστήμη, η ιατρική θεραπεία και η ιατρική απεικόνιση.
Μια νέα κατεύθυνση για την έρευνα της σύντηξης
Η μελέτη δείχνει ότι το περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιείται μια πυρηνική αντίδραση δεν αποτελεί απλώς ένα παθητικό «δοχείο».
Αντίθετα, το ίδιο το υλικό μπορεί να επηρεάζει ενεργά τη συχνότητα και τη συμπεριφορά των αντιδράσεων.
«Η εργασία δείχνει με σαφήνεια ότι το υλικό περιβάλλον όπου πραγματοποιείται σύντηξη σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι ενεργός συμμετέχων και όχι παθητικό δοχείο», δήλωσε ο Κάμερον Γκεντς, διευθυντής του τμήματος Επιταχυντών, Τεχνολογίας και Εφαρμοσμένης Φυσικής στο Εθνικό Εργαστήριο Μπέρκλεϊ.
Η ανακάλυψη ανοίγει έτσι έναν νέο δρόμο που συνδέει τη φυσική της σύντηξης με την επιστήμη των υλικών και τη χημεία, με τους ερευνητές να ελπίζουν ότι η καλύτερη κατανόηση αυτών των φαινομένων θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους ελέγχου των πυρηνικών αντιδράσεων.