हीरे के पिघलने के नए मापन से फ्यूज़न ऊर्जा तिगुनी हो सकती है और बर्फीले ग्रहों के रहस्य खुल सकते हैं

पिछले 20 वर्षों से भौतिक वैज्ञानिक एक पहेली में उलझे हुए थे: सिद्धांत कहता था कि अत्यधिक दबाव पर हीरे को पिघलने के लिए एक निश्चित तापमान की आवश्यकता होती है, लेकिन प्रयोग लगातार एक अलग संख्या देते आ रहे थे — 1,000°C से अधिक का अंतर, जो फ्यूज़न अनुसंधान और ग्रह विज्ञान दोनों को कमजोर कर रहा था। अब, लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी (LLNL) की एक टीम ने इस अंतर को खत्म कर दिया है, और इसके निहितार्थ नेशनल इग्निशन फैसिलिटी (NIF) से लेकर यूरेनस और नेपच्यून के अंदरूनी हिस्सों तक फैले हुए हैं ।

नए प्रयोग में क्या पता चला

नेचर फिजिक्स में प्रकाशित इस अध्ययन में, LLNL के शोधकर्ताओं ने ओमेगा लेज़र फैसिलिटी में लेज़र-चालित शॉक कंप्रेशन का उपयोग करके छोटे हीरे के नमूनों को यूरेनस और नेपच्यून के केंद्रों से भी अधिक दबाव पर गर्म किया । टीम ने पिघलने के दौरान परमाणु संरचना को सीधे मापने के लिए एक्स-रे विवर्तन डेटा कैप्चर किया, जो पिछले प्रयोगों में संभव नहीं हो पाया था ।

LLNL के वैज्ञानिक मारियस मिलॉट के अनुसार, टीम "छोटे हीरे के नमूनों को शॉक-कंप्रेस करके उन्हें सूर्य की सतह से अधिक गर्म तापमान और नेप्च्यून और यूरेनस के केंद्रों से अधिक दबाव पर ले जाने में सक्षम थी — और फिर भी परमाणु संरचना, तापमान, घनत्व और ऑप्टिकल परावर्तन को माप सकी" ।

मुख्य परिणाम: हीरे के पिघलने के तापमान का नया मापन क्वांटम-आधारित सिमुलेशन के साथ लगभग पूरी तरह से सहमत हुआ, जिससे दो दशकों से क्षेत्र में व्याप्त लगभग 20% विसंगति समाप्त हो गई । प्रयोगों ने यह भी दिखाया कि कार्बन पिघलने तक हीरे की संरचना में ही रहा, बीच के किसी क्रिस्टलीय चरण को छोड़ते हुए, जैसा कि कुछ पिछले प्रयोगों ने सुझाव दिया था ।

सटीकता क्यों मायने रखती है: इनर्शियल कन्फाइनमेंट फ्यूज़न (ICF)

नेशनल इग्निशन फैसिलिटी (NIF) में, हीरे का उपयोग एब्लेटर शेल के रूप में किया जाता है जो इम्प्लोजन के दौरान फ्यूज़न ईंधन को संलग्न करता है । पिघलने का व्यवहार और अवस्था का समीकरण जो यह नियंत्रित करता है कि कैप्सूल अत्यधिक दबाव और गर्मी पर कैसे प्रतिक्रिया करता है, कुशल संपीड़न प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।

सही किए गए पिघलने के डेटा को लागू करके, शोधकर्ताओं का मानना है कि वे "अधिक कुशल संपीड़न और बेहतर कैप्सूल डिज़ाइन के माध्यम से NIF के फ्यूज़न इम्प्लोजन से ऊर्जा लाभ को तिगुना कर सकते हैं" । यह इनर्शियल कन्फाइनमेंट फ्यूज़न को एक व्यवहार्य ऊर्जा स्रोत बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।

यूरेनस और नेपच्यून के लिए इसका क्या अर्थ है

ये प्रयोग बर्फीले ग्रहों के अंदरूनी हिस्सों में पाए जाने वाले दबाव और तापमान से भी अधिक तक पहुंच गए, जिससे पहली बार प्रत्यक्ष पुष्टि हुई कि क्रिस्टलीय हीरा यूरेनस और नेपच्यून के अंदर गहराई तक स्थिर रह सकता है । डेटा से पता चलता है कि उन परिस्थितियों में हीरा एक सघन, धात्विक तरल में पिघल जाता है, जो सीधे ग्रहों की संरचना, थर्मल विकास और इन दुनियाओं के अंदर हीरे की "बारिश" की वर्षा के मॉडल को सूचित करता है ।

यह पिछले शॉक-कंप्रेशन अध्ययनों पर आधारित है, जिन्होंने पहले ही सुझाव दिया था कि हीरा विशाल ग्रहों के अंदर गहराई तक स्थिर हो सकता है, यह दर्शाता है कि अति-उच्च दबावों पर पिघलने की वक्र में एक नकारात्मक क्लैपेरॉन ढलान है — पिघलने पर हीरा सघन हो जाता है, जो पृथ्वी की सतह पर बर्फ के साथ होने वाले व्यवहार के विपरीत है ।

सिद्धांत और प्रयोग का दुर्लभ मिलान

उच्च दबाव भौतिकी में प्रयोगात्मक और कम्प्यूटेशनल परिणामों के बीच विसंगतियां आम हैं, लेकिन वे शायद ही कभी इतनी सफाई से हल होती हैं। उन्नत डायग्नोस्टिक्स और एक्स-रे विवर्तन के संयोजन ने LLNL टीम को वह मापने की अनुमति दी जो पिछले प्रयोग नहीं कर सके, और परिणाम त्रुटि की सीमा के भीतर सिद्धांत से मेल खाता है ।

इन निष्कर्षों का कार्बन चरण व्यवहार के लिए व्यापक महत्व हो सकता है: हीरा 1 टेरापास्कल (TPa) तक के दबावों पर कार्बन का स्थिर रूप है, लेकिन उस सीमा से परे, गणना एक बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक संरचना (BC8) के गठन का सुझाव देती है, और 3 TPa से ऊपर के दबावों पर एक सरल घन संरचना की भविष्यवाणी की गई है । हीरे के पिघलने की वक्र की यह नई समझ उन चरम स्थितियों में कार्बन चरण आरेख को परिष्कृत करेगी जहां ये अन्य चरण दिखाई दे सकते हैं।