Arindam Banerjee, profesor asociado de ingeniería mecánica y mecánica en la Universidad de Lehigh, estudia la dinámica de materiales en ambientes extremos. Él y su equipo han construido varios dispositivos para investigar de manera efectiva la dinámica de fluidos y otros materiales bajo la influencia de alta aceleración y fuerza centrífuga.

Un área de interés es la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, que ocurre entre materiales de diferentes densidades cuando los gradientes de densidad y presión están en direcciones opuestas creando una estratificación inestable.

"En presencia de la gravedad, o de cualquier campo de aceleración, los dos materiales se penetran como 'dedos, '", dice Banerjee.

Según Banerjee, la comprensión de la inestabilidad se limita principalmente a los fluidos (líquidos o gases). No se sabe mucho sobre la evolución de la inestabilidad en sólidos acelerados. Las escalas de tiempo cortas y las grandes incertidumbres de medición de los sólidos acelerados hacen que la investigación de este tipo de material sea muy desafiante.

Banerjee y su equipo han logrado caracterizar la interfaz entre un material elástico-plástico y un material ligero en aceleración. Descubrieron que el inicio de la inestabilidad, o "umbral de inestabilidad", estaba relacionado con el tamaño de la amplitud (perturbación) y la longitud de onda (distancia entre las crestas de una onda) aplicadas. Sus resultados mostraron que tanto para perturbaciones (o movimientos) bidimensionales como tridimensionales, una disminución en la amplitud inicial y la longitud de onda producían una interfaz más estable, aumentando así la aceleración necesaria para la inestabilidad.

Estos resultados se describen en un artículo publicado hoy en Revisión física E llamados "experimentos de inestabilidad de Rayleigh-Taylor con materiales elásticos-plásticos". Además de Banerjee, los coautores incluyen a Rinosh Polavarapu (estudiante de doctorado actual) y Pamela Roach (ex estudiante de maestría) en el grupo de Banerjee.

"Ha habido un debate en curso en la comunidad científica sobre si el crecimiento de la inestabilidad es una función de las condiciones iniciales o un proceso catastrófico más local, ", dice Banerjee." Nuestros experimentos confirman la primera conclusión:que el crecimiento de la interfaz depende en gran medida de la elección de las condiciones iniciales, como amplitud y longitud de onda ".

En los experimentos. Hellman's Real Mayonnaise se vertió en un recipiente de plexiglás. Se formaron diferentes perturbaciones en forma de onda en la mayonesa y luego la muestra se aceleró en un experimento de rueda giratoria. El crecimiento del material se siguió utilizando una cámara de alta velocidad (500 fps). Un algoritmo de procesamiento de imágenes, escrito en Matlab, Luego se aplicó para calcular varios parámetros asociados con la inestabilidad. Para el efecto de amplitud, las condiciones iniciales variaron de w / 60 a w / 10 mientras que la longitud de onda se varió de w / 4 a w para estudiar el efecto de la longitud de onda ("w" representa el tamaño del ancho del recipiente). A continuación, se compararon las tasas de crecimiento experimentales para varias combinaciones de longitud de onda y amplitud con los modelos analíticos existentes para dichos flujos.

Este trabajo permite a los investigadores visualizar tanto la evolución elástica-plástica como la inestabilidad del material al tiempo que proporciona una base de datos útil para el desarrollo, validación, y verificación de modelos de dichos flujos, dice Banerjee.

Agrega que la nueva comprensión del "umbral de inestabilidad" del material elástico-plástico bajo aceleración podría ser valioso para ayudar a resolver desafíos en geofísica, astrofísica, procesos industriales como soldadura explosiva, y problemas de física de alta densidad de energía relacionados con la fusión por confinamiento inercial.

Comprender la hidrodinámica del confinamiento inercial

Banerjee trabaja en uno de los métodos más prometedores para lograr la fusión nuclear llamado confinamiento inercial. En los EE.UU., los dos laboratorios principales para esta investigación son la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore, California — el mayor experimento operativo de fusión por confinamiento inercial en los Estados Unidos — y el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México. Banerjee trabaja con ambos. Él y su equipo están tratando de comprender la hidrodinámica fundamental de la reacción de fusión, así como la física.

En experimentos de confinamiento inercial, el gas (isótopos de hidrógeno, como en la fusión magnética) se congela dentro de gránulos de metal del tamaño de un guisante. Los gránulos se colocan en una cámara y luego se golpean con láseres de alta potencia que comprimen el gas y lo calientan hasta unos pocos millones de Kelvin, unos 400 millones de grados Fahrenheit, creando las condiciones para la fusión.

La transferencia masiva de calor, que sucede en nanosegundos, derrite el metal. Bajo compresión masiva, el gas de adentro quiere estallar, provocando un resultado no deseado:la cápsula explota antes de que se pueda alcanzar la fusión. Una forma de entender esta dinámica, explica Banerjee, es imaginarse un globo apretado.

"A medida que el globo se comprime, el aire del interior empuja contra el material que lo confina, tratando de mudarse, "dice Banerjee." En algún momento, el globo estallará bajo presión. Lo mismo sucede en una cápsula de fusión. La mezcla del gas y el metal fundido provoca una explosión ".

Para evitar la mezcla, agrega Banerjee, tienes que entender cómo se mezclan el metal fundido y el gas calentado en primer lugar.

Para hacer esto, su grupo realiza experimentos que imitan las condiciones de confinamiento inercial, aislar la física eliminando el gradiente de temperatura y las reacciones nucleares.

Banerjee y su equipo han pasado más de cuatro años construyendo un dispositivo específicamente para estos experimentos. Ubicado en el primer piso del Laboratorio Packard de Lehigh, el experimento es el único de su tipo en el mundo, ya que puede estudiar la mezcla de dos fluidos en condiciones relevantes para aquellas en fusión por confinamiento inercial. También se encuentran disponibles equipos de última generación para diagnosticar el flujo. Los proyectos están financiados por el Departamento de Energía, Laboratorio Nacional de Los Alamos y la Fundación Nacional de Ciencias.

Una de las formas en que investigadores como Banerjee imitan el metal fundido es utilizando mayonesa. Las propiedades del material y la dinámica del metal a alta temperatura son muy parecidas a las de la mayonesa a baja temperatura. él dice.

El dispositivo del equipo recrea la increíble velocidad a la que se mezclan el gas y el metal fundido. Recopilan datos de los experimentos que realizan y luego los introducen en un modelo que se está desarrollando en el Laboratorio Nacional de Los Alamos.

"Han tomado un problema muy complicado y lo han aislado en seis o siete problemas más pequeños, "explica Banerjee." Hay científicos de materiales que trabajan en ciertos aspectos del problema; hay investigadores como yo que se centran en la mecánica de fluidos, todos alimentando diferentes modelos que se combinarán en el futuro ".