Nowe pomiary topnienia diamentu mogą potroić energię fuzji i pomóc w zrozumieniu planet lodowych olbrzymów

Przez 20 lat fizycy byli w ślepym zaułku: teoria przewidywała, że diament topi się w jednej temperaturze pod ekstremalnym ciśnieniem, ale eksperymenty konsekwentnie wskazywały inną wartość — różnicę ponad 1000°C, która podważała zarówno badania nad fuzją, jak i nauki planetarne. Teraz zespół z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zamknął tę lukę, a implikacje sięgają od National Ignition Facility (NIF) po wnętrza Urana i Neptuna .

Co odkryto w nowym eksperymencie

Opublikowane w Nature Physics badanie przeprowadzone przez naukowców z LLNL wykorzystało kompresję uderzeniową generowaną laserem w Omega Laser Facility, aby podgrzać maleńkie próbki diamentu do ciśnień przekraczających te panujące w centrach Urana i Neptuna . Zespół zarejestrował dane dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), aby bezpośrednio zmierzyć strukturę atomową podczas topnienia — czego wcześniejsze eksperymenty nie były w stanie osiągnąć z odpowiednią rozdzielczością .

Jak powiedział naukowiec LLNL Marius Millot: "Byliśmy w stanie wziąć maleńkie próbki diamentu i skompresować je uderzeniowo do temperatur wyższych niż powierzchnia Słońca i do ciśnień wyższych niż w centrach Neptuna i Urana — a mimo to zmierzyć strukturę atomową, temperaturę, gęstość i współczynnik odbicia światła" .

Kluczowy wynik: nowy pomiar temperatury topnienia diamentu był niemal idealnie zgodny z symulacjami kwantowymi, zamykając rozbieżność rzędu około 20%, która nękała tę dziedzinę przez dwie dekady . Eksperymenty wykazały również, że węgiel pozostawał w strukturze diamentu aż do momentu stopienia, pomijając pośrednią fazę krystaliczną, którą sugerowały niektóre wcześniejsze badania .

Dlaczego dokładność jest kluczowa dla fuzji inercyjnej

W National Ignition Facility (NIF) diament jest używany jako powłoka ablacyjna (ablator), która otacza paliwo fuzyjne podczas implozji . Zachowanie diamentu podczas topnienia oraz równanie stanu opisujące, jak kapsuła reaguje na ekstremalne ciśnienie i temperaturę, są krytyczne dla osiągnięcia wydajnej kompresji.

Stosując skorygowane dane dotyczące topnienia, badacze uważają, że mogą "potroić uzysk energii" z implozji fuzyjnych w NIF poprzez bardziej wydajną kompresję i lepszą konstrukcję kapsuły . To znaczący krok w kierunku celu, jakim jest uczynienie fuzji inercyjnej realnym źródłem energii.

Co to oznacza dla Urana i Neptuna

Eksperymenty osiągnęły ciśnienia i temperatury przekraczające te panujące we wnętrzach planet lodowych olbrzymów, dostarczając pierwszego bezpośredniego potwierdzenia, że krystaliczny diament może pozostać stabilny głęboko we wnętrzach Urana i Neptuna . Dane pokazują, że diament topi się w gęstszy, metaliczny płyn w tych warunkach, co bezpośrednio zasila modele budowy planet, ich ewolucji termicznej, a nawet wytrącania się diamentowego "deszczu" wewnątrz tych światów .

To rozwija wcześniejsze badania nad kompresją uderzeniową, które już sugerowały, że diament może być stabilny głęboko we wnętrzach olbrzymich planet, pokazując, że krzywa topnienia ma ujemne nachylenie Clapeyrona przy ultra-wysokich ciśnieniach — diament staje się gęstszy podczas topnienia, co jest odwrotnością tego, co dzieje się z lodem na powierzchni Ziemi .

Rzadkie pogodzenie teorii z eksperymentem

Rozbieżności między wynikami eksperymentalnymi a obliczeniowymi są częste w fizyce wysokich ciśnień, ale rzadko udaje się je rozwiązać tak klarownie. Połączenie ulepszonej diagnostyki i dyfrakcji rentgenowskiej pozwoliło zespołowi LLNL zmierzyć to, czego wcześniejsze eksperymenty nie były w stanie, a wynik był zgodny z teorią w granicach błędu .

Odkrycia mogą mieć również szersze znaczenie dla zachowania faz węgla: diament jest stabilną alotropową odmianą węgla przy ciśnieniach do 1 terapaskala, ale powyżej tego progu obliczenia przewidują powstanie struktury kubicznej centrowanej (BC8), a przy ciśnieniach powyżej 3 TPa przewidywana jest struktura kubiczna prosta . To nowe zrozumienie krzywej topnienia diamentu udoskonali diagram fazowy węgla w ekstremalnych warunkach, w których mogą pojawić się te inne fazy.