Arindam Banerjee, professor associado de engenharia mecânica e mecânica na Lehigh University, estuda a dinâmica dos materiais em ambientes extremos. Ele e sua equipe construíram vários dispositivos para investigar com eficácia a dinâmica de fluidos e outros materiais sob a influência de alta aceleração e força centrífuga.

Uma área de interesse é a instabilidade de Rayleigh-Taylor, que ocorre entre materiais de diferentes densidades quando os gradientes de densidade e pressão estão em direções opostas, criando uma estratificação instável.

"Na presença da gravidade - ou de qualquer campo de aceleração - os dois materiais penetram um no outro como 'dedos, '"diz Banerjee.

De acordo com Banerjee, a compreensão da instabilidade está confinada principalmente aos fluidos (líquidos ou gases). Não se sabe muito sobre a evolução da instabilidade em sólidos acelerados. As escalas de tempo curtas e as grandes incertezas de medição de sólidos acelerados tornam a investigação desse tipo de material muito desafiadora.

Banerjee e sua equipe conseguiram caracterizar a interface entre um material elástico-plástico e um material leve em aceleração. Eles descobriram que o início da instabilidade - ou "limiar de instabilidade" - estava relacionado ao tamanho da amplitude (perturbação) e comprimento de onda (distância entre as cristas de uma onda) aplicada. Seus resultados mostraram que para perturbações (ou movimentos) bidimensionais e tridimensionais, uma diminuição na amplitude inicial e no comprimento de onda produziu uma interface mais estável, aumentando assim a aceleração necessária para a instabilidade.

Esses resultados são descritos em um artigo publicado hoje em Revisão Física E chamado de "experimentos de instabilidade de Rayleigh-Taylor com materiais elásticos-plásticos." Além do Banerjee, os co-autores incluem Rinosh Polavarapu (um atual aluno de Ph.D.) e Pamela Roach (um ex-aluno de mestrado) no grupo de Banerjee.

“Tem havido um debate contínuo na comunidade científica sobre se o crescimento da instabilidade é uma função das condições iniciais ou um processo mais catastrófico local, "diz Banerjee." Nossos experimentos confirmam a primeira conclusão:o crescimento da interface é fortemente dependente da escolha das condições iniciais, como amplitude e comprimento de onda. "

Nos experimentos. A maionese real da Hellman foi colocada em um recipiente de acrílico. Diferentes perturbações semelhantes a ondas foram formadas na maionese e a amostra foi então acelerada em um experimento de roda giratória. O crescimento do material foi monitorado por meio de uma câmera de alta velocidade (500 fps). Um algoritmo de processamento de imagem, escrito em Matlab, foi então aplicado para calcular vários parâmetros associados à instabilidade. Para o efeito de amplitude, as condições iniciais variaram de w / 60 a w / 10, enquanto o comprimento de onda foi variado de w / 4 a w para estudar o efeito do comprimento de onda ("w" representa o tamanho da largura do recipiente). As taxas de crescimento experimental para várias combinações de comprimento de onda e amplitude foram então comparadas aos modelos analíticos existentes para tais fluxos.

Este trabalho permite aos pesquisadores visualizar a evolução elástico-plástica e a instabilidade do material, ao mesmo tempo que fornece um banco de dados útil para o desenvolvimento, validação, e verificação de modelos de tais fluxos, diz Banerjee.

Ele acrescenta que a nova compreensão do "limite de instabilidade" do material elástico-plástico sob aceleração pode ser útil para ajudar a resolver os desafios em geofísica, astrofísica, processos industriais, como soldagem explosiva, e problemas físicos de alta densidade de energia relacionados à fusão por confinamento inercial.

Compreendendo a hidrodinâmica do confinamento inercial

Banerjee trabalha em um dos métodos mais promissores para obter a fusão nuclear, chamado de confinamento inercial. Nos E.U.A., os dois principais laboratórios para esta pesquisa são a National Ignition Facility no Lawrence Livermore National Laboratory em Livermore, Califórnia - o maior experimento operacional de fusão de confinamento inercial nos EUA - e o Laboratório Nacional de Los Alamos no Novo México. Banerjee funciona com ambos. Ele e sua equipe estão tentando entender a hidrodinâmica fundamental da reação de fusão, bem como a física.

Em experimentos de confinamento inercial, o gás (isótopos de hidrogênio, como na fusão magnética) é congelado dentro de grânulos de metal do tamanho de uma ervilha. As pelotas são colocadas em uma câmara e, em seguida, atingidas com lasers de alta potência que comprimem o gás e o aquecem até alguns milhões de Kelvin - cerca de 400 milhões de graus Fahrenheit - criando as condições para a fusão.

A transferência massiva de calor, que acontece em nanossegundos, derrete o metal. Sob compressão massiva, o gás dentro quer explodir, causando um resultado indesejável:A cápsula explode antes que a fusão possa ser alcançada. Uma maneira de entender essa dinâmica, explica Banerjee, é imaginar um balão sendo espremido.

"À medida que o balão se comprime, o ar dentro empurra o material que o confina, tentando sair, "diz Banerjee." Em algum momento, o balão vai estourar sob pressão. A mesma coisa acontece em uma cápsula de fusão. A mistura do gás e do metal fundido causa uma explosão. "

Para evitar a mistura, adiciona Banerjee, você tem que entender como o metal derretido e o gás aquecido se misturam em primeiro lugar.

Para fazer isso, seu grupo executa experimentos que imitam as condições de confinamento inercial, isolar a física removendo o gradiente de temperatura e as reações nucleares.

Banerjee e sua equipe passaram mais de quatro anos construindo um dispositivo especificamente para esses experimentos. Instalado no primeiro andar do Laboratório Packard de Lehigh, o experimento é o único de seu tipo no mundo, uma vez que pode estudar a mistura de dois fluidos em condições relevantes para aqueles em fusão por confinamento inercial. Equipamentos de última geração também estão disponíveis para diagnóstico de fluxo. Os projetos são financiados pelo Departamento de Energia, Laboratório Nacional de Los Alamos e Fundação Nacional de Ciência.

Uma das maneiras pelas quais pesquisadores como Banerjee imitam o metal fundido é usando maionese. As propriedades do material e a dinâmica do metal em alta temperatura são muito semelhantes às da maionese em baixa temperatura, ele diz.

O dispositivo da equipe recria a incrível velocidade com que o gás e o metal fundido se misturam. Eles reúnem dados dos experimentos que realizam e os inserem em um modelo que está sendo desenvolvido no Laboratório Nacional de Los Alamos.

"Eles pegaram um problema muito complicado e o isolaram em seis ou sete problemas menores, "explica Banerjee." Existem cientistas de materiais trabalhando em certos aspectos do problema; há pesquisadores como eu que estão focados na mecânica dos fluidos - todos alimentando diferentes modelos que serão combinados no futuro. "