infos.ro

Furtuna într-o ceașcă cosmică: O nouă paradigmă pentru înțelegerea turbulenței plasmatice | Știri MIT

Paul Rivenberg | Plasma Science and Fusion Center,news.mit.edu

În drumul spre redactarea tezei sale de doctorat, Lucio Milanese a făcut o descoperire – una care i-a reorientat cercetarea și probabil că acum îi va domina teza.

Milanese studiază plasma, un flux asemănător gazului de ioni și electroni care cuprinde 99% din universul vizibil, inclusiv ionosfera Pământului, spațiul interstelar, vântul solar și mediul stelelor. Plasmele, ca și alte fluide, se găsesc adesea într-o stare turbulentă caracterizată prin mișcare haotică, imprevizibilă, oferind provocări multiple cercetătorilor care caută să înțeleagă universul cosmic sau speră să valorifice plasmele arse pentru energie de fuziune.

Milanese este interesat de ceea ce fizicianul Richard Feynman a numit „cea mai importantă problemă nerezolvată a fizicii clasice” – turbulența. În acest caz, accentul este turbulența plasmei, natura și structura acesteia.

„Spuneți că amestecați o ceașcă de ceai cu o lingură: creați un vârtej, un vârtej, la scara ceștii. Acest vârtej la scară mare se descompune în cele din urmă în vârtejuri mai mici, care se forfecă în structuri din ce în ce mai mici. În cele din urmă, această cascadă va genera structuri suficient de mici pe care le vor disipa și energia se va transforma în căldură.”

Într-o hârtie publicat recent în Scrisori de revizuire a fizicii, Milanese oferă un mecanism nou descoperit numit „aliniere dinamică de fază” pentru a descoperi modul în care turbulența transferă energia de la scară mare la scară mai mică. Milanese, doctorand în știință și inginerie nucleară la Centrul de știință și fuziune a plasmei, numește descoperirea „un element de bază al unei teorii generale a turbulenței”.

„Turbulența este complexă și haotică, dar nu este complet fără lege: dinamica generală trebuie să se supună unor constrângeri”, spune Milanese. „O constrângere mecanică universală este că energia trebuie conservată. În sistemele pe care le studiem, există, de asemenea, o constrângere topologică: cantitatea totală de elicitate – gradul în care vortexurile se răsucesc și spiralează – este conservată.

Milanese explică că ambele declarații de conservare se aplică la toate scările fizice, cu excepția celor mai mici, unde disiparea nu mai poate fi ignorată.

„Pentru tipurile de sisteme care sunt modelate prin ecuațiile pe care le considerăm – și sunt multe – dacă ar fi să dezvoltăm un model de turbulență care să ia în considerare doar conservarea energiei, am ajunge inevitabil să încălcăm constrângerile privind conservarea helicității. Am reușit să rezolvăm această aparentă contradicție prin descoperirea noului mecanism de aliniere dinamică a fazelor.”

Milanese oferă astfel o explicație pentru un fenomen observat în general, pe care îl numește „cascada comună a energiei și helicității”. Acest tip de model în cascadă este observat în sistemele de plasmă pe care Milanese le-a studiat, cum ar fi ionosfera, vântul solar și coroana solară.

Milanese observă că, la fel cum o lingură aduce energie și elicitate unei cani de ceai, mișcarea plasmei pe suprafața soarelui „injectează” aceste cantități în vântul solar și în coroana solară. Odată ce se întâmplă acest lucru și începe cascada, energia și helicitatea sunt conservate până când vortexurile turbulente se disipă.

În sistemele de plasmă explorate de Milanese, cantitatea de elicitate (întorsătură) este determinată de cât de strâns corelate sunt fluctuațiile câmpurilor magnetice și electrice. La scară mare, atunci când în sistem este prezentă o cantitate semnificativă de elicitate, este statistic probabil ca dacă potențialul electric – tensiunea – este mare, fluctuația potențialului magnetic local va fi, de asemenea, mare. Pe măsură ce structurile la scară mare se sparg în structuri la scară mai mică, acest lucru se schimbă progresiv și devine din ce în ce mai probabil ca dacă potențialul electric este local mare, fluctuația potențialului magnetic va fi mică, aproape de zero (și invers).

„Am descoperit că, pe măsură ce structurile la scară mare se sparg în structuri la scară mai mică, fluctuațiile potențialului magnetic și electric devin progresiv mai corelate. Acesta este un exemplu remarcabil al modului în care plasmele turbulente se pot autoorganiza pentru a respecta constrângerile mecanice și topologice.”

Descoperirea acestei alinieri dinamice de fază oferă o nouă lentilă prin care să vizualizați alte sisteme turbulente. Milanese și colegii săi au descoperit că ecuațiile model pe care le-au adoptat pentru a descrie plasmele sunt matematic identice cu cele care descriu dinamica fluxurilor de fluide neionizate, care se rotesc rapid, cum ar fi uraganele și tornadele..

Descoperirea acestei noi paradigme se bazează pe un cadru teoretic dezvoltat de consilierul său, profesorul Nuno Loureiro, și de profesorul colaborator al lui Loureiro, Stanislav Boldyrev de la Universitatea Wisconsin din Madison, pentru a descrie dinamica plasmelor formate din electroni și pozitroni – antiparticulele de electroni. Milanese a început să lucreze cu Maximilian Daschner, un student de schimb din ETH Zurichpentru a sonda validitatea acestui cadru teoretic prin simulări numerice.

„A fost un proiect numeric frumos pentru a UROP” spune Milanese. „Ne-am gândit că vom termina în șase luni și vom publica o lucrare. Dar apoi, doi ani mai târziu, încă ne uitam la rezultate interesante.”

Christopher Chen, Ernest Rutherford Fellow la Școala de Fizică și Astronomie, Universitatea Queen Mary din Londra și expert în observarea turbulenței vântului solar, comentează semnificația descoperirii.

„Înțelegerea turbulenței plasmatice este o parte cheie a rezolvării unora dintre întrebările de lungă durată din astrofizica plasmei, cum ar fi modul în care este încălzită coroana solară, cum este generat vântul solar, cât de puternice sunt create câmpurile magnetice în univers și cum sunt particulele energetice. accelerat. Rezultatele acestei lucrări sunt importante, deoarece oferă o nouă înțelegere a proceselor universale cheie care funcționează în astfel de plasme. Lucrarea este, de asemenea, semnificativă și oportună, deoarece face predicții pe care le putem testa cu ajutorul Sondă solară Parker și Orbiter solar nave spațiale, care în prezent sunt pe cale să studieze soarele de aproape.”

Mai aproape de casă, munca este relevantă experimente viitoare la Institutul pentru Fizica Plasmei din Germania. Aceste experimente vor prinde un număr semnificativ de electroni și pozitroni într-o cușcă magnetică, permițând cercetătorilor să studieze proprietățile unui astfel de sistem, deși la temperaturi mult mai scăzute decât cele observate de obicei în setările astrofizice. Milanese se așteaptă ca sistemul să fie turbulent și crede că ar putea fi folosit ca banc de testare de laborator pentru ideile sale.

Milanese observă că studiul suplimentar al alinierii dinamice a fazelor a devenit cea mai mare parte a tezei sale. În prezent, el lucrează pentru a extinde aplicabilitatea acestei lucrări pentru a include o gamă mult mai largă de fluide decât tipurile de plasmă și fluide cu rotație rapidă pe care le-a explorat deja.

În curând își va lărgi și perspectiva. Anul viitor se va afla la Universitatea Tsinghua din China, ca parte a Scholar Schwarzmanclasa lui 2022. Acest program de master în afaceri externe de un an, finanțat complet, îi va oferi oportunități în politici publice, economie, afaceri și relații internaționale. Milanese așteaptă cu nerăbdare să exploreze partea de afaceri și politică a creării unei industrii globale a energiei de fuziune – una care depinde de construirea unei înțelegeri avansate a turbulenței din plasmă, care a fost principalul său obiectiv.

Cercetarea este finanțată, parțial, de Departamentul de Energie al SUA, Fundația Națională pentru Știință și Loureiro Profesorul Amar G. Bose Research Grant. Milanese a primit bursa Manson Benedict al Departamentului de Știință și Inginerie Nucleară al MIT.

Sursa articol

You might also like