Un nuevo giro en la compresión magnética de plasmas podría mejorar la ciencia de los materiales, investigación de fusión nuclear, Generación de rayos X y astrofísica de laboratorio, sugiere una investigación dirigida por la Universidad de Michigan.

El estudio muestra que un campo magnético en forma de resorte reduce la cantidad de plasma que se desliza entre las líneas del campo magnético.

Conocido como el cuarto estado de la materia, el plasma es un gas tan caliente que los electrones se liberan de sus átomos. Los investigadores utilizan la compresión magnética para estudiar estados extremos del plasma en los que la densidad es lo suficientemente alta como para que los efectos de la mecánica cuántica sean importantes. Tales estados ocurren naturalmente dentro de las estrellas y los planetas gigantes gaseosos debido a la compresión de la gravedad.

El grupo de investigación dirigido por Ryan McBride, profesor asociado de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas en la U-M, prueba formas de lograr estados como este mediante la implosión de cilindros de plasma con campos magnéticos. Estos cilindros tienen una tendencia a romperse en forma de "eslabón de salchicha" cuando el campo magnético encuentra pequeñas hendiduras en la superficie del cilindro y las corta. (El término técnico es "inestabilidad de la salchicha").

"Es como intentar exprimir una barra de mantequilla blanda con las manos, "dijo McBride." La mantequilla se aplasta entre los dedos ".

La mantequilla en la analogía de McBride es plasma y los dedos son líneas de campo magnético. Su grupo buscó una forma de evitar que el campo magnético se hundiera en las imperfecciones del cilindro. en su lugar, hace que el campo presione de manera más uniforme sobre la superficie exterior del cilindro. Hicieron esto torciendo el campo magnético en una hélice, esa forma primaveral, y variando el ángulo en el que la hélice presiona el cilindro de plasma. Esto hizo que fuera más difícil para el campo magnético penetrar:el campo se movía a través de muchas hendiduras en lugar de presionar una hendidura durante demasiado tiempo.

Las configuraciones magnéticas más retorcidas probadas en estos experimentos redujeron la longitud de los tentáculos de plasma que escapaban en aproximadamente un 70%. La investigación se realizó en colaboración con Sandia National Laboratories y el Laboratorio de Estudios de Plasma de la Universidad de Cornell.

El equipo cambió la forma del campo magnético al cambiar la forma en que la corriente eléctrica (más de 1 millón de amperios) atravesaba el dispositivo de compresión. La corriente eléctrica normalmente sube a través del cilindro central que se va a comprimir y luego vuelve a bajar a través de columnas rectas de "corriente de retorno" que rodean el cilindro central. Esto produce un campo magnético cilíndrico que rodea el cilindro central. Para transformar el campo cilíndrico en una hélice, el equipo retorció las columnas de corriente de retorno alrededor del cilindro central. El cilindro central comienza como una lámina de metal, pero la enorme corriente eléctrica transforma rápidamente el metal en plasma. Ejecutaron los experimentos en el Acelerador de Investigación Cornell Beam.

"Diseñar las estructuras de la corriente de retorno fue un interesante acto de equilibrio, "dijo Paul Campbell, primer autor del artículo y un Ph.D. estudiante de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas en la U-M. "No estábamos seguros de que pudiéramos incluso mecanizar estas estructuras, pero afortunadamente, la impresión 3D de metal ha avanzado lo suficiente como para poder imprimirlos en su lugar ".

Campbell explicó que cuando las estructuras están más retorcidas, menos corriente los atraviesa, por lo que las columnas tuvieron que colocarse más cerca del plasma en implosión para compensar. Al mismo tiempo, necesitaban huecos en la estructura para poder ver lo que estaba sucediendo con la implosión.

En consonancia con la replicación de las condiciones dentro de las estrellas, La compresión magnética es un método para comprimir el combustible de fusión nuclear, típicamente variantes del hidrógeno, para estudiar los procesos que alimentan las estrellas. La técnica también puede generar potentes ráfagas de rayos X y simular fenómenos astrofísicos como chorros de plasma cerca de los agujeros negros.

Un artículo sobre esta investigación, "Estabilización de las implosiones del revestimiento mediante un pellizco dinámico del tornillo, "es aceptado por la revista Cartas de revisión física . La investigación también se incluirá en una charla invitada en la conferencia anual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física en noviembre de 2020.