Timantin sulamislämpötilan uusi mittaus voi kolminkertaistaa fuusioenergian tuoton ja selittää jääjättiläisplaneettojen salaisuuksia

Fyysikot ovat olleet 20 vuoden ajan umpikujassa: teoria ennusti, että timantti sulaa tietyssä lämpötilassa äärimmäisen paineen alaisena, mutta kokeet antoivat jatkuvasti eri lukeman — yli 1 000 °C:n ero, joka horjutti sekä fuusiotutkimusta että planeettatiedettä. Nyt Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion (LLNL) tiimi on sulkenut tämän kuilun, ja vaikutukset ulottuvat National Ignition Facilitystä Uranuksen ja Neptunuksen sisuksiin .

Mitä uusi koe osoitti

Nature Physics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa LLNL:n tutkijat käyttivät laserilla tuotettua shokkikompressiota Omega Laser Facility -laitteistossa kuumentaakseen pieniä timanttinäytteitä paineisiin, jotka ylittävät Uranuksen ja Neptunuksen keskusten paineet . Tiimi tallensi röntgendiffraktiodataa mitatakseen suoraan atomirakennetta sulamisen aikana — jotain, mitä aiemmista kokeista puuttui riittävä resoluutio .

LLNL:n tiedemiehen Marius Millotin mukaan tiimi "pystyi ottamaan pieniä timanttinäytteitä ja shokkikompressoimaan ne lämpötiloihin, jotka ovat kuumempia kuin auringon pinta, ja paineisiin, jotka ovat korkeampia kuin Neptunuksen ja Uranuksen keskuksissa — ja silti mittaamaan atomirakennetta, lämpötilaa, tiheyttä ja optista heijastavuutta" .

Keskeinen tulos: uusi timantin sulamislämpötilan mittaus vastasi lähes täydellisesti kvanttipohjaisia simulaatioita, sulkien noin 20 %:n eron, joka oli vaivannut alaa kaksi vuosikymmentä . Kokeet osoittivat myös, että hiili pysyi timanttirakenteessa aina sulamispisteeseen asti ohittaen välikiteisen faasin, jota jotkut aiemmat kokeet olivat ehdottaneet .

Miksi tarkkuus on tärkeää inertiaaliselle koossapidolle fuusiossa

National Ignition Facilityssä (NIF) timanttia käytetään ablaattorikuorena, joka sulkee fuusiopolttoaineen sisäänsä imploosioiden aikana . Sulamiskäyttäytyminen ja tilanyhtälö, joka säätelee kapselin reaktiota äärimmäiseen paineeseen ja lämpöön, ovat kriittisiä tehokkaan kompression saavuttamiseksi.

Korjattua sulamistietoa soveltamalla tutkijat uskovat voivansa "kolminkertaistaa energiantuoton" NIF:n fuusioimploosioista tehokkaamman kompression ja paremman kapselisuunnittelun avulla . Tämä on merkittävä askel kohti inertiaalista koossapitoa fuusiota käyttökelpoisena energianlähteenä.

Mitä se tarkoittaa Uranukselle ja Neptunukselle

Kokeet saavuttivat paineet ja lämpötilat, jotka ylittävät jääjättiläisplaneettojen sisuksissa vallitsevat olosuhteet, tarjoten ensimmäisen suoran vahvistuksen siitä, että kiteinen timantti voi pysyä stabiilina syvällä Uranuksen ja Neptunuksen sisällä . Data osoittaa, että timantti sulaa tiheämmäksi, metalliseksi fluidiksi näissä olosuhteissa, mikä antaa suoraa tietoa planeettojen rakenteen, lämpökehityksen ja jopa timanttisateen mallintamiseen näissä maailmoissa .

Tämä perustuu aiempiin shokkikompressiotutkimuksiin, jotka olivat jo ehdottaneet, että timantti voisi olla stabiili syvällä jättiläisplaneettojen sisällä, ja osoittavat, että sulamiskäyrällä on negatiivinen Clapeyron-kaltevuus erittäin korkeissa paineissa — timantti tihenee sulaessaan, mikä on päinvastoin kuin jään sulamisella maan pinnalla .

Teorian ja kokeen harvinainen yhtyminen

Erot kokeellisten ja laskennallisten tulosten välillä ovat yleisiä korkeapainefysiikassa, mutta ne harvoin ratkeavat yhtä puhtaasti kuin tässä tapauksessa. Parannetut diagnostiikkamenetelmät ja röntgendiffraktio antoivat LLNL:n tiimille mahdollisuuden mitata se, mitä aiemmat kokeet eivät pystyneet, ja tulos vastasi teoriaa virhemarginaalin sisällä .

Tuloksilla voi olla myös laajempaa merkitystä hiilen faasikäyttäytymiselle: timantti on hiilen stabiili allotropia paineisiin 1 terapascal asti, mutta tämän kynnyksen jälkeen laskelmat ennustavat body-centered cubic -rakenteen (BC8) muodostumista, ja yli 3 TPa:n paineissa ennustetaan yksinkertaisen kuutiollisen rakenteen stabiilisuutta . Tämä uusi ymmärrys timantin sulamiskäyrästä tarkentaa hiilifaasidiagrammia äärimmäisissä olosuhteissa, joissa nämä muut faasit saattavat esiintyä.