Um novo giro na compressão magnética de plasmas pode melhorar a ciência dos materiais, pesquisa de fusão nuclear, Geração de raios-X e astrofísica de laboratório, pesquisa liderada pela Universidade de Michigan sugere.

O estudo mostra que um campo magnético em forma de mola reduz a quantidade de plasma que escapa entre as linhas do campo magnético.

Conhecido como o quarto estado da matéria, o plasma é um gás tão quente que os elétrons se libertam de seus átomos. Os pesquisadores usam a compressão magnética para estudar estados extremos de plasma nos quais a densidade é alta o suficiente para que os efeitos da mecânica quântica se tornem importantes. Esses estados ocorrem naturalmente dentro de estrelas e planetas gigantes gasosos devido à compressão da gravidade.

O grupo de pesquisa liderado por Ryan McBride, professor associado de engenharia nuclear e ciências radiológicas na U-M, testa maneiras de atingir estados como esse implodindo cilindros de plasma com campos magnéticos. Esses cilindros têm uma tendência a se fragmentar em um "elo de salsicha" quando o campo magnético encontra pequenos pontos na superfície do cilindro e os corta. (O termo técnico é "instabilidade da salsicha".)

"É como tentar apertar um pedaço de manteiga amolecida com as mãos, "disse McBride." A manteiga esguicha-se entre os seus dedos.

A manteiga na analogia de McBride é plasma e os dedos são linhas de campo magnético. Seu grupo procurou uma maneira de evitar que o campo magnético penetrasse nas imperfeições do cilindro, em vez disso, faz com que o campo pressione mais uniformemente na superfície externa do cilindro. Eles fizeram isso torcendo o campo magnético em uma hélice, aquela forma de mola, e variando o ângulo em que a hélice pressionou o cilindro de plasma. Isso tornava mais difícil para o campo magnético cortar - o campo movia-se por muitos divots em vez de pressionar qualquer divot por muito tempo.

As configurações magnéticas mais torcidas testadas nesses experimentos reduziram o comprimento dos tentáculos de plasma que escapavam em cerca de 70%. A pesquisa foi realizada em colaboração com Sandia National Laboratories e o Laboratory of Plasma Studies da Cornell University.

A equipe mudou a forma do campo magnético mudando a forma como a corrente elétrica - mais de 1 milhão de amperes - passava pelo dispositivo de compressão. A corrente elétrica normalmente sobe através do cilindro central que deve ser comprimido e então desce através de colunas retas de "corrente de retorno" que circundam o cilindro central. Isso produz um campo magnético cilíndrico que envolve o cilindro central. Para transformar o campo cilíndrico em uma hélice, a equipe torceu as colunas de corrente de retorno ao redor do cilindro central. O cilindro central começa como uma folha de metal, mas a enorme corrente elétrica transforma rapidamente o metal em plasma. Eles executaram os experimentos no Cornell Beam Research Accelerator.

"Projetar as estruturas de corrente de retorno foi um ato de equilíbrio interessante, "disse Paul Campbell, primeiro autor no artigo e um Ph.D. estudante de engenharia nuclear e ciências radiológicas na U-M. "Não tínhamos certeza de que conseguiríamos maquinar essas estruturas, mas felizmente, a impressão 3D de metal avançou o suficiente para que pudéssemos imprimi-los em seu lugar. "

Campbell explicou que quando as estruturas são mais torcidas, menos corrente passa por eles, então as colunas tiveram que ser colocadas mais perto do plasma implodindo para compensar. Ao mesmo tempo, eles precisavam de lacunas na estrutura para que pudessem ver o que estava acontecendo com a implosão.

Em linha com a replicação das condições dentro das estrelas, A compressão magnética é um método para comprimir combustível de fusão nuclear - tipicamente variantes do hidrogênio - para estudar os processos que energizam as estrelas. A técnica também pode gerar rajadas de raios-X poderosas e simular fenômenos astrofísicos, como jatos de plasma perto de buracos negros.

Um artigo sobre esta pesquisa, "Estabilização de implosões de liner por meio de uma pinça de parafuso dinâmica, "é aceito pela revista Cartas de revisão física . A pesquisa também será apresentada em uma palestra convidada na conferência anual da Divisão de Física do Plasma da American Physical Society, em novembro de 2020.