Le frottement dans le plasma devient étrange en présence de champs magnétiques très puissants, une équipe de chercheurs sur le plasma de l'Université du Michigan l'a montré. Les résultats pourraient affecter les stratégies d'énergie de fusion et le développement de sources de rayonnement.

Le journal Physique des plasmas a récemment sélectionné le résultat, rapporté dans un article intitulé, "Un modèle cinétique de frottement dans des plasmas fortement couplés fortement magnétisés, " comme choix de l'éditeur. Scott Baalrud, professeur agrégé de génie nucléaire et de sciences radiologiques à l'UM et auteur principal de l'étude, expliqué pourquoi le résultat est important.

Pourquoi étudier comment les champs magnétiques puissants affectent les plasmas ?

L'exploration de l'inconnu est l'un des aspects les plus passionnants de la science. L'histoire de la science donne de nombreux exemples montrant comment l'exploration de nouveaux régimes - petites échelles spatiales, échelles à haute énergie, très basse température, très haute température, et ainsi de suite - élargit notre compréhension de la nature et conduit également à de nouvelles applications technologiques rendues possibles par la compréhension de ces nouveaux régimes.

Les plasmas sont des collections de particules chargées dans lesquelles certains électrons sont séparés des noyaux de leurs atomes. Bon nombre des applications utiles des plasmas, comme l'énergie de fusion et la propulsion par plasma, utiliser la capacité de contrôler les propriétés du plasma en appliquant des champs magnétiques. Ceci est possible car les particules chargées effectuent des trajectoires en spirale en présence d'un champ magnétique. Ils dessinent des motifs hélicoïdaux dans l'espace, comme la forme d'un brin d'ADN.

Ces technologies utilisent-elles du plasma fortement magnétisé ?

Les plasmas sont presque toujours faiblement magnétisés dans le sens où les rayons des spirales dessinés par les particules sont beaucoup plus grands que l'échelle sur laquelle les particules interagissent. En conséquence, essentiellement toute la théorie du plasma est basée sur l'hypothèse que le plasma est faiblement magnétisé. Cependant, il est tout à fait possible de créer des plasmas fortement magnétisés. C'est un régime passionnant à explorer car nous ne savons pas à quoi nous attendre. Tout ce que nous savons vraiment, c'est que nos théories actuelles ne s'appliquent pas là-bas et que le plasma devrait se comporter de manière fondamentalement différente.

Comment avez-vous exploré les plasmas dans des champs magnétiques puissants ?

En utilisant une combinaison de simulations mathématiques au crayon et papier et de superordinateur, Louis José, un assistant de recherche diplômé en génie nucléaire et sciences radiologiques, et j'ai développé une nouvelle théorie pour décrire les plasmas fortement magnétisés. Puis, nous l'avons appliqué pour explorer une propriété fondamentale de toute substance :le frottement. Spécifiquement, nous avons calculé la force sur une particule lorsqu'elle ralentit dans un plasma fortement magnétisé. Notre compréhension typique, à base de plasmas faiblement magnétisés, est que la friction agit pour s'opposer à la vitesse de la particule - avec pour conséquence que le rayon de la spirale que la particule fait devient plus petit à mesure que la friction la ralentit.

La nouvelle découverte est que le frottement agit également dans des directions perpendiculaires à la direction de la particule lorsque le plasma de fond est fortement magnétisé. L'un de ces composants modifie le rayon du mouvement en spirale, y compris une propriété non intuitive selon laquelle le frottement peut amener la spirale à devenir plus grande au fil du temps dans certaines conditions. Un autre composant influence la fréquence à laquelle le mouvement en spirale se produit. Ces deux effets n'apparaissent qu'à forte magnétisation et sont des changements fondamentaux du comportement d'un plasma.

Pourquoi est-il important d'avoir ce nouveau modèle?

Bien que nos simulations au cours des dernières années aient montré certaines de ces propriétés de base, les simulations peuvent fournir peu de compréhension de pourquoi, ou même comment, ces effets surviennent. Le nouveau modèle théorique permet de comprendre la physique responsable des comportements observés dans les simulations. Par ailleurs, les simulations nécessitent une grande quantité de ressources de calcul. On ne peut simuler qu'un nombre limité de propriétés, dans une gamme limitée de conditions.

Les simulations sont importantes car elles fournissent des données de base pour tester la théorie. Mais la théorie nous permet de modéliser le comportement des plasmas dans des conditions expérimentales, et cela nous permet également de calculer des propriétés de plasmas fortement magnétisés que les simulations ne peuvent pas fournir.

Comment vos découvertes peuvent-elles être utilisées dans le monde réel ?

Il s'agit avant tout d'une recherche exploratoire. Parce qu'une forte magnétisation modifie la façon dont les particules, Chauffer, et la quantité de mouvement sont transférées à travers un plasma, il pourrait être utilisé pour améliorer les concepts d'énergie de fusion, sources de rayonnement, ou plus vraisemblablement, inventer quelque chose auquel nous n'avons pas encore pensé.