Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 13 – vyšlo 3. dubna, ročník 4 (2006) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

13/2006

Nejvyšší dosažená teplota na Zemi

Petr Kulhánek

V březnu 2006 byla oznámena dosud nejvyšší dosažená teplota v laboratorních podmínkách na Zemi. Odborníci ze Sandia Laboratories dosáhli v z-pinči teploty vyšší než 2 miliardy kelvinů. Plazmatem přitom procházel elektrický proud 20 megaampérů. Studium stavu látky v extrémních podmínkách tak zaznamenalo další významný úspěch.

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Pinč – pinč neboli plazmové (proudové vlákno) patří snad k nejběžnějším útvarům v plazmatu. V nejjednodušší konfiguraci (tzv. z-pinč) teče proud v ose pinče a kolem pinče vytváří azimutální magnetické pole, které působí Lorentzovou silou na plazmové vlákno a snaží se ho smrštit (pinch = stlačit). Stlačením se plazma adiabaticky zahřívá, magnetické pole koná práci. Po čase se ustaví rovnováha mezi gradientem tlaku plazmatu, který se snaží plyn rozepnout a Lorentzovou silou, která pinč komprimuje. Tato rovnováha je nestabilní a pinč tohoto typu se rychle rozpadá. Stabilnější jsou helikální pinče, které mají nenulovou jak azimutální tak osovou složku pole.

Sandia Labs

Sandia National Laboratories vznikly na konci 2. světové války. Od roku 1949 do roku 1960 byly tyto laboratoře zodpovědné za dohled nad jadernými zbraněmi. V letech 1963 až 1984 vědci ze Sandia Labs rozmístili na oběžné dráze celkem 12 družic VELA určených k monitorování testů jaderných zbraní. V roce 1966 pomohli odborníci ze Sandia Labs nalézt ve Španělsku bombu ztracenou při letecké havárii. Od roku 1973 se rozběhl výzkum fotovoltaických článků a slunečních zdrojů energie. Od roku 1995 se uskutečnila spolupráce se společností Intel na vývoji superrychlých počítačů. V roce 1997 na Marsu přistál Mars Pathfinder s airbagy vyvinutými v Sandia Labs. V roce 2000 se Sandia Labs zapojily do vývoje mikroelektromechanických systémů MEMSMEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd.. Z posledních let je znám především vývoj materiálů pro extrémní teploty (různé keramiky a speciální látky pro vojenské oděvy).

Z-Machine

Z-aparatura je dnes největším pinčovýmPinč – pinč neboli plazmové (proudové vlákno) patří snad k nejběžnějším útvarům v plazmatu. V nejjednodušší konfiguraci (tzv. z-pinč) teče proud v ose pinče a kolem pinče vytváří azimutální magnetické pole, které působí Lorentzovou silou na plazmové vlákno a snaží se ho smrštit (pinch = stlačit). Stlačením se plazma adiabaticky zahřívá, magnetické pole koná práci. Po čase se ustaví rovnováha mezi gradientem tlaku plazmatu, který se snaží plyn rozepnout a Lorentzovou silou, která pinč komprimuje. Tato rovnováha je nestabilní a pinč tohoto typu se rychle rozpadá. Stabilnější jsou helikální pinče, které mají nenulovou jak azimutální tak osovou složku pole. zařízením na světě. Aparatura je umístěná v Sandia Laboratories v Novém Mexiku. V roce 1998 byl na této aparatuře dosažen výkon 2,9×10¹⁴ W, 80 krát více než je celkový výkon všech elektráren na zeměkouli. Plazma je získáno odpařením válcového pole (průměr 20 mm) drátků, které jsou nejčastěji z wolframu. Plazmatem protéká elektrický proud 20 MA. Vzniklé extrémní magnetické pole způsobí nárůst turbulencí a přeměnu energie v rentgenové záření. Z-aparatura je nejúčinnějším zdrojem rentgenového záření vůbec, účinnost konverze energie do energie rentgenového záření je přibližně 15 %. Od roku 2002 prochází zařízení kompletní rekonstrukcí, která bude dokončena v roce 2007. Předpokládá se, že po rekonstrukci bude energie obsažená v RTG záření (při jednom spuštění) 3 MJ a rentgenový výkon 3×10¹⁴ W.

Sandia Z-machine. Oblouky a jiskry vznikají mezi jednotlivými kovovými vodiči.

Extrémní stavy hmoty

Základním úkolem z-aparatury je výzkum alternativních možností termojaderné fúze. Látka stlačená magnetickým polem má extrémní hustotu a teplotu, která je jinými prostředky nedosažitelná. Výzkum tak umožňuje studium látky nacházející se v nitrech hvězd v laboratorních podmínkách. Nejvyšší dosažená teplota, přes dvě miliardy kelvinů, která byla oznámena 8. března 2006, je dokonce vyšší než teplota v jádrech hvězd. Plazma bylo generováno válcovým polem (průměr 55 až 80 mm) ocelových drátků. Plazma je stlačeno magnetickým polem do vlákna o průměru tuhy v tužce. V tomto okamžiku již nemají elektrony a ionty možnost dalšího pohybu. Situace je podobná, jako když rozjetý automobil narazí do zdi. Zabrzděné elektrony a ionty uvolní nadbytečnou energii ve formě rentgenového záření o teplotě mnoha milionů stupňů. Jde o teplotu obdobnou, jaká je ve slunečních vzplanutích. Pinčové experimenty tak zásadním způsobem přispívají k poznání hmoty za extrémních podmínek.

Z-pinč v Sandia Laboratories. Jednotlivé fáze.

Odkazy