|
Алмаз расплавили и раскрыли секрет ледяных гигантов
|
|
|
|
Одна из самых необычных погодных аномалий в Солнечной системе наблюдается не на Земле и даже не в Большом красном пятне на Юпитере, а в недрах ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран. В частности, ученые давно предполагали, что при определенных давлениях и температурах внутри этих планет буквально идет алмазный дождь. Впервые ученым удалось воспроизвести процесс, который, по их мнению, приводит к возникновению этого явления.
|
|
|
|
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Physics, физики из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) раскрывают научную загадку, над которой бились 20 лет, и показывают, что те же физические процессы, которые приводят к алмазному дождю на Нептуне, могут помочь нам утроить выработку энергии при термоядерном синтезе.
|
|
|
|
Для начала поговорим о самом эксперименте. Ученые из LLNL провели эксперимент в Рочестерском университете, в лаборатории Omega Laser Facility, которая занимается именно тем, о чем говорит ее название. В данном случае лазер испарил внешний слой образца алмаза, и ученые наблюдали за процессом с помощью всех доступных датчиков, в том числе сверхбыстрого метода рентгеновской дифракции. В результате испарения внутри самого алмаза возникла мощная ударная волна, которая сжала его до давления, более чем в три раза превышающего давление в ядре Земли, и нагрела до температуры, сопоставимой с температурой на поверхности Солнца, — но лишь на миллиардную долю секунды.
|
|
|
|
|
|
|
То, что они увидели, помогло разгадать загадку, над которой ученые бились 20 лет. Это был не первый случай, когда ученым удавалось расплавить алмаз. Однако предыдущие физические измерения температуры плавления алмаза расходились с компьютерными моделями, основанными на квантовой механике, на 20 %. Может показаться, что это не так уж много, но в контексте этих экспериментов эти 20 % означали разницу в более чем 1000 кельвинов между теоретической и наблюдаемой температурами плавления.
|
|
|
|
Несмотря на все усилия, ученым не удавалось добиться совпадения этих двух показателей — до недавнего времени. Вооружившись новыми данными рентгеновской дифракции, авторы исследования смогли подтвердить, что измеренная ими температура плавления алмаза соответствует современным моделям, основанным на квантовой физике. Но это было не самое интересное открытие: они также обнаружили, что при определенных условиях алмазы могут плавать в углеродном море.
|
|
|
|
Как отмечается в пресс-релизе Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, всем нам известен один конкретный пример, когда твердое состояние вещества менее плотное, чем жидкое: лед и вода. Но тот факт, что твердый алмаз на самом деле менее плотный, чем жидкий металлический углерод, несколько удивил исследователей. Это открытие дало надежду на то, что в Солнечной системе может существовать одна из самых невероятных погодных аномалий — алмазный дождь.
|
|
|
|
Спросите любого планетолога, и он скажет вам, что алмазы на самом деле не такая уж редкость. На самом деле в недрах планет нашей Солнечной системы и за ее пределами скрываются миллиарды тонн алмазов. Самые увлеченные планетологи расскажут вам об алмазном дожде — явлении, при котором температура и давление на планете настолько высоки, что алмаз буквально плавится и превращается в жидкость, стекая к ядру планеты.
|
|
|
|
Трение и тепло, которые возникают при падении этих алмазных капель, являются одними из основных источников избыточной энергии Нептуна, которую он затем излучает обратно в космос. В статье, опубликованной в журнале Journal of the American Physical Society, впервые представлены достоверные экспериментальные данные о точном давлении и температуре, необходимых для возникновения такого невероятного явления.
|
|
|
|
Не то чтобы мы могли увидеть его в ближайшее время. Но эта статья имеет более практическое значение для смежной области, которая ближе к нам, — термоядерного синтеза. В Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса находится Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF), где ученые используют инерционный термоядерный синтез, чтобы попытаться создать термоядерную реакцию с положительным выходом энергии. Пока что они приблизились к цели, но «чистая положительная» термоядерная реакция по-прежнему остается недостижимой.
|
|
|
|
Однако, как поясняют авторы в своей статье, одним из примечательных результатов их эксперимента, в котором использовался алмаз, похожий на «мишень» в экспериментах на NIF, стало то, что они поняли: им не нужно воздействовать на алмаз с такой же силой, как это было принято в экспериментах на NIF. По мнению авторов, более медленный и щадящий первоначальный удар может привести к тому, что алмазная капсула полностью расплавится. Согласно их расчетам, это может привести к выделению в три раза большего количества термоядерной энергии, чем при использовании топлива, содержащегося в этой капсуле.
|
|
|
|
Это значительный прирост, но его все равно недостаточно, чтобы вывести NIF на уровень «инженерной безубыточности» (то есть такого уровня, при котором его можно было бы использовать в качестве электростанции).
|
|
|
|
Но в мире науки иногда бывает интересно поразмышлять о том, как один-единственный эксперимент может привести к таким масштабным результатам, как увеличение выхода термоядерной энергии и изучение недр планет, покрытых драгоценными камнями. Возможно, когда-нибудь мы воспользуемся космическими кораблями на термоядерном топливе, чтобы добраться до недр Нептуна и увидеть, как там в реальном времени падают алмазы. К тому времени работа, опубликованная в этой статье, совершит полный круг.
|
|
|
|
Источник
|
