La fricción en el plasma se vuelve extraña en presencia de campos magnéticos muy fuertes, ha demostrado un equipo de investigadores de plasma de la Universidad de Michigan. Los hallazgos podrían afectar las estrategias de energía de fusión y el desarrollo de fuentes de radiación.

El periódico Física de Plasmas recientemente seleccionado el hallazgo, informó en un artículo titulado, "Un modelo cinético de fricción en plasmas fuertemente magnetizados fuertemente acoplados, "como elección del editor. Scott Baalrud, profesor asociado de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas en la U-M y autor principal del estudio, explicó por qué el resultado es importante.

¿Por qué estudiar cómo afectan los campos magnéticos fuertes a los plasmas?

Uno de los aspectos más interesantes de la ciencia es explorar lo desconocido. La historia de la ciencia ofrece muchos ejemplos que muestran cómo explorar nuevos regímenes:pequeñas escalas espaciales, escalas de alta energía, muy baja temperatura, temperatura muy alta, y así sucesivamente, amplía nuestra comprensión de la naturaleza y también conduce a nuevas aplicaciones tecnológicas que son posibles gracias a la comprensión de estos nuevos regímenes.

Los plasmas son colecciones de partículas cargadas en las que algunos electrones están separados de los núcleos de sus átomos. Muchas de las aplicaciones útiles de los plasmas, como la energía de fusión y la propulsión a base de plasma, utilizar la capacidad de controlar las propiedades del plasma mediante la aplicación de campos magnéticos. Esto es posible porque las partículas cargadas hacen trayectorias en espiral en presencia de un campo magnético. Dibujan patrones helicoidales en el espacio, como la forma de una hebra de ADN.

¿Estas tecnologías utilizan plasma fuertemente magnetizado?

Los plasmas casi siempre están débilmente magnetizados en el sentido de que los radios de las espirales dibujadas por las partículas son mucho mayores que la escala sobre la que interactúan las partículas. Como consecuencia, esencialmente, toda la teoría del plasma se basa en la suposición de que el plasma está débilmente magnetizado. Sin embargo, es muy posible crear plasmas fuertemente magnetizados. Este es un régimen emocionante de explorar porque no sabemos qué esperar. Todo lo que realmente sabemos es que nuestras teorías actuales no se aplican allí, y que el plasma debería comportarse de formas fundamentalmente diferentes.

¿Cómo exploraste los plasmas en campos magnéticos fuertes?

Usando una combinación de lápiz y papel, matemáticas y simulaciones de supercomputadora, Luis José, un asistente de investigación graduado en ingeniería nuclear y ciencias radiológicas, y desarrollé una nueva teoría para describir plasmas fuertemente magnetizados. Luego, lo aplicamos para explorar una propiedad fundamental de cualquier sustancia:la fricción. Específicamente, Calculamos la fuerza sobre una partícula a medida que se ralentiza en un plasma fuertemente magnetizado. Nuestro entendimiento típico, basado en plasmas débilmente magnetizados, es que la fricción actúa para oponerse a la velocidad de la partícula, con la consecuencia de que el radio de la espiral que hace la partícula se hace más pequeño a medida que la fricción la ralentiza.

El nuevo descubrimiento es que la fricción también actúa en direcciones perpendiculares a la dirección de la partícula cuando el plasma de fondo está fuertemente magnetizado. Uno de estos componentes cambia el radio del movimiento en espiral, incluyendo una propiedad no intuitiva de que la fricción puede hacer que la espiral se haga más grande con el tiempo bajo ciertas condiciones. Otro componente influye en la frecuencia a la que se produce el movimiento en espiral. Ambos efectos surgen solo con una fuerte magnetización y son cambios fundamentales en el comportamiento de un plasma.

¿Por qué es importante tener este nuevo modelo?

Aunque nuestras simulaciones de los últimos años han mostrado algunas de estas propiedades básicas, Las simulaciones pueden proporcionar poca comprensión de por qué, o incluso cómo, surgen estos efectos. El nuevo modelo teórico nos permite comprender la física responsable de los comportamientos observados en las simulaciones. Es más, las simulaciones requieren una gran cantidad de recursos computacionales. Solo podemos simular un número limitado de propiedades, en una gama limitada de condiciones.

Las simulaciones son importantes porque proporcionan datos básicos para probar la teoría. Pero la teoría nos permite modelar el comportamiento de los plasmas en condiciones experimentales, y también nos permite calcular propiedades de plasmas fuertemente magnetizados que las simulaciones no pueden proporcionar.

¿Cómo se pueden utilizar sus hallazgos en el mundo real?

Es principalmente una investigación exploratoria. Debido a que la magnetización fuerte cambia la forma en que las partículas, calor, y el impulso se transfieren a través de un plasma, podría utilizarse para mejorar los conceptos de energía de fusión, fuentes de radiación, o más probable, inventar algo en lo que no hemos pensado todavía.