"Мы всё ещё работаем над той же проблемой — структурной целостностью термоядерных капсул, используемых в инерционном термоядерном синтезе, и настоящий майонез Hellmann's по-прежнему помогает нам в поиске решений", — говорит Ариндам Банерджи, профессор машиностроения и механики имени Пола Б. Рейнхолда в Университете Лехи и заведующий кафедрой MEM в Колледже инженерных и прикладных наук имени П.К. Россина.
Термоядерные реакции — это то, что питает Солнце. Если бы этот процесс можно было использовать на Земле, то, по мнению учёных, он мог бы стать практически безграничным и чистым источником энергии для человечества. Однако воспроизведение экстремальных солнечных условий на Земле — невероятно сложная задача. Исследователи из разных областей науки и техники, в том числе Банерджи и его команда, изучают эту проблему с разных точек зрения.
Инерционный термоядерный синтез — это процесс, который инициирует реакции ядерного синтеза путём быстрого сжатия и нагревания капсул, заполненных топливом, в данном случае изотопами водорода. Под воздействием экстремальных температур и давления эти капсулы плавятся и образуют плазму — заряженное состояние материи, способное генерировать энергию.
"В таких экстремальных условиях речь идёт о миллионах градусов по Кельвину и гигапаскалях давления, когда вы пытаетесь смоделировать условия на солнце", — говорит Банерджи. "Одна из главных проблем, связанных с этим процессом, заключается в том, что в состоянии плазмы образуются гидродинамические неустойчивости, которые могут снизить выход энергии".
В своей первой работе на эту тему, опубликованной в 2019 году, Банерджи и его команда рассмотрели эту проблему, известную как неустойчивость Рэлея-Тейлора. Это состояние возникает между материалами разной плотности, когда градиенты плотности и давления направлены в противоположные стороны, создавая нестабильную стратификацию.
"Мы используем майонез, потому что он ведёт себя как твёрдое вещество, но при воздействии градиента давления он начинает течь", — говорит он. Использование приправы также позволяет обойтись без высоких температур и давления, которые очень сложно контролировать.
Для имитации условий течения плазмы команда Банерджи использовала специально построенное, единственное в своём роде вращающееся колесо в Лаборатории турбулентного смешивания Банерджи. Как только ускорение превышало критическое значение, майонез начинал течь.
В ходе первоначальных исследований было выяснено, что перед тем, как поток становится нестабильным, мягкое твёрдое вещество, то есть майонез, проходит через несколько фаз.
"Как и в случае с традиционным расплавленным металлом, если приложить к майонезу напряжение, он начнёт деформироваться, но если напряжение снять, он вернётся к своей первоначальной форме", — говорит он. "Таким образом, существует упругая фаза, за которой следует стабильная пластическая фаза. Следующая фаза — это когда она начинает течь, и вот тут-то и начинается нестабильность".
По его словам, понимание этого перехода между упругой фазой и стабильной пластической фазой очень важно, поскольку знание того, когда начинается пластическая деформация, может подсказать исследователям, когда возникнет нестабильность, говорит Банерджи. Тогда они смогут контролировать условия, чтобы оставаться в пределах упругой или стабильной пластической фазы.
В своей последней работе, опубликованной в журнале Physical Review E, команда (включая бывшего аспиранта и первого автора исследования Арена Бояци '24 PhD, который сейчас работает в Rattunde AG инженером по моделированию данных в Берлине, Германия) изучила свойства материала, геометрию возмущения (амплитуду и длину волны) и скорость ускорения материалов, которые подвергаются неустойчивости Рэлея-Тейлора.
"Мы исследовали критерии перехода между фазами неустойчивости Рэлея-Тейлора и изучили, как это влияет на рост возмущений в последующих фазах", — говорит Бояци. Мы нашли условия, при которых возможно упругое восстановление, и как его можно максимизировать, чтобы задержать или полностью подавить неустойчивость". Представленные нами экспериментальные данные также являются первыми измерениями восстановления в литературе".
Это важное открытие, поскольку оно может помочь разработать капсулы таким образом, чтобы они никогда не становились нестабильными.
