Diamant smelt bij extreem hoge druk: wat betekent dit voor fusie-energie en ijsreuzen?

2. Bij een enkele schok slaat diamant tussenliggende fasen over en smelt direct

De röntgengegevens lieten zien dat de diamantkristalstructuur intact blijft zonder over te gaan in de voorspelde BC8-fase (een koolstofstructuur bij hoge druk) voordat het smelt. Het diamantrooster blijft stabiel tot de koolstofatomen abrupt in een ongeordende vloeistof overgaan . Het team schrijft dit toe aan 'kinetische trapping': bij een snelle, enkele schok is er niet genoeg tijd voor de sterke koolstofbindingen om te breken en te herschikken tot BC8, waardoor het systeem direct van vast diamant naar vloeistof overgaat .

3. Tragere initiële schokken kunnen de fusie-energie bij NIF verdrievoudigen

Bij fusie-experimenten met traagheidsopsluiting bij de National Ignition Facility worden diamantcapsules gebruikt om deuterium-tritiumbrandstof te bevatten. Het verfijnde koolstofmodel uit deze studie toont aan dat het gebruik van iets tragere initiële schokgolven – die het diamant nog steeds volledig smelten – de brandstof beter samendrukbaar maakt, wat hogere energieopbrengsten mogelijk maakt met dezelfde laser. Simulaties wijzen op een mogelijke verdrievoudiging van de fusie-energieopbrengst, op voorwaarde dat andere degradatiemechanismen onder controle worden gehouden .

4. Diamant drijft in zijn eigen smelt (zoals ijs in water)

Bij hoge druk is vast diamant minder dicht dan de metallische vloeibare koolstof waarin het smelt. Dat betekent dat vast diamant op vloeibaar koolstof drijft – analoog aan ijsblokjes die in water drijven . Dit levert ook een negatieve Clapeyron-helling op over een deel van het smelttraject: een hogere druk verlaagt de smelttemperatuur juist .

Gevolgen voor fusie-energieonderzoek

De studie verbetert direct de ontwerpmodellen van ICF. NIF's huidige implosiesimulaties kunnen nu experimenteel gevalideerde koolstoftoestandsvergelijkingen gebruiken, waarmee een belangrijke bron van onzekerheid in de prestaties van capsules wordt weggenomen .

De voorspelde energieopbrengstverdrievoudiging is een betekenisvolle potentiële boost voor het bereiken van hogere opbrengsten bij NIF, al waarschuwen de onderzoekers dat dit afhangt van het beheersen van andere degradatiemechanismen .

Diamantcapsules staan al centraal in NIF's recordschoten – een hoogwaardige diamantcapsule maakte NIF's 8,6 MJ fusieopbrengstmilpaal op 7 april 2025 mogelijk . Een beter begrip van het fasegedrag van diamant is direct van invloed op de volgende generatie van deze doelen.

Gevolgen voor de planeetwetenschap

De druk- en temperatuurcondities die in de experimenten werden bereikt, zijn direct relevant voor de interieurs van ijsreuzen zoals Uranus en Neptunus (drukken tot ~1,8 TPa, vergelijkbaar met de diepe binnenkant van deze planeten) .

De ontdekking dat diamant kan samengaan met en drijven in vloeibare metallische koolstof helpt bij het modelleren van 'diamantregen' – de lang veronderstelde neerslag van diamant uit vloeibare koolstoflagen in het binnenste van ijsreuzen. De waarneming dat diamant metastabiel blijft onder snelle compressie, geeft ook inzicht in hoe koolstof zich gedraagt tijdens planeetvorming en dynamische gebeurtenissen .