การวัดจุดหลอมเหลวของเพชรครั้งใหม่ อาจเพิ่มพลังงานฟิวชันได้สามเท่า และไขปริศนาดาวยักษ์น้ำแข็ง

เป็นเวลากว่า 20 ปีที่นักฟิสิกส์ทั่วโลกพบกับปริศนา: ทฤษฎีคำนวณว่าเพชรควรจะหลอมละลายที่อุณหภูมิหนึ่งภายใต้ความดันมหาศาล แต่การทดลองทุกครั้งกลับให้ค่าที่แตกต่างออกไป โดยมีช่องว่างมากกว่า 1,000 องศาเซลเซียส ซึ่งส่งผลกระทบต่อทั้งงานวิจัยด้านฟิวชันและวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ ล่าสุด ทีมนักวิจัยจาก Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ในสหรัฐฯ ได้ปิดช่องว่างดังกล่าวได้สำเร็จ และผลที่ตามมานั้นทอดยาวจากห้องทดลองฟิวชันไปจนถึงใจกลางของดาวเนปจูนและดาวยูเรนัส

การทดลองใหม่ค้นพบอะไร

ผลการศึกษาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Physics โดยทีมวิจัย LLNL ใช้เทคนิคการอัดกระแทกด้วยเลเซอร์ (laser-driven shock compression) ที่ Omega Laser Facility เพื่อให้ความร้อนแก่ตัวอย่างเพชรขนาดเล็ก จนมีความดันสูงกว่าที่ใจกลางดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสเสียอีก ทีมงานใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction) วัดโครงสร้างอะตอมโดยตรงระหว่างการหลอมละลาย ซึ่งเป็นการวัดที่มีความละเอียดสูงกว่าการทดลองในอดีต

Marius Millot นักวิทยาศาสตร์ LLNL กล่าวว่า "เราสามารถนำตัวอย่างเพชรขนาดเล็กมาอัดกระแทกด้วยแรงกระแทกจนมีอุณหภูมิร้อนกว่าพื้นผิวดวงอาทิตย์ และมีความดันสูงกว่าที่ใจกลางของดาวเนปจูนและดาวยูเรนัส — และยังคงสามารถวัดโครงสร้างอะตอม อุณหภูมิ ความหนาแน่น และการสะท้อนแสงได้"

ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดคือ: ค่าวัดจุดหลอมเหลวของเพชรครั้งใหม่นี้สอดคล้องกับการจำลองด้วยควอนตัมแทบจะสมบูรณ์แบบ ทำให้ปิดช่องว่างความคลาดเคลื่อนประมาณ 20% ที่เป็นปัญหาในวงการมานานถึงสองทศวรรษ การทดลองยังเผยให้เห็นว่า คาร์บอนยังคงมีโครงสร้างแบบเพชรต่อไปจนกระทั่งหลอมละลาย โดยไม่ผ่านเฟสผลึกขั้นกลางอย่างที่การทดลองก่อนหน้านี้เคยคาดเดาไว้

ทำไมความแม่นยำจึงสำคัญต่อฟิวชันแบบ inertial confinement

ที่ National Ignition Facility (NIF) เพชรถูกใช้เป็นเปลือกหุ้ม (ablator) ที่บรรจุเชื้อเพลิงฟิวชันไว้ภายในระหว่างการอัดตัว พฤติกรรมการหลอมละลายและสมการสถานะ (equation of state) ซึ่งควบคุมการตอบสนองของแคปซูลต่อความร้อนและความดันสูงยิ่งยวดนั้น ล้วนมีความสำคัญยิ่งต่อการบรรลุการอัดตัวที่มีประสิทธิภาพ

ด้วยการใช้ข้อมูลจุดหลอมเหลวที่ถูกต้องนี้ นักวิจัยเชื่อว่าพวกเขาสามารถ "เพิ่มพลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาฟิวชันของ NIF ได้ถึงสามเท่า" ผ่านการอัดตัวที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและการออกแบบแคปซูลที่ดีขึ้น นี่ถือเป็นก้าวสำคัญสู่เป้าหมายของการทำให้ฟิวชันแบบ inertial confinement เป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้จริง

ความหมายต่อดาวเนปจูนและดาวยูเรนัส

การทดลองนี้เข้าถึงความดันและอุณหภูมิที่สูงกว่าที่พบภายในดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็ง จึงเป็นการยืนยันโดยตรงครั้งแรกว่าเพชรในรูปผลึกสามารถคงตัวอยู่ลึกภายในดาวเนปจูนและดาวยูเรนัส ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าเพชรหลอมละลายกลายเป็นของเหลวโลหะที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นภายใต้สภาวะดังกล่าว ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญที่ช่วยปรับปรุงแบบจำลองโครงสร้างดาวเคราะห์ วิวัฒนาการทางความร้อน และแม้กระทั่งปรากฏการณ์ 'ฝนเพชร' (diamond rain) ที่คาดว่าตกภายในดาวเหล่านี้

งานวิจัยนี้ต่อยอดจากการศึกษาการอัดกระแทกก่อนหน้านี้ที่ชี้ให้เห็นแล้วว่าเพชรอาจเสถียรได้ลึกภายในดาวเคราะห์ยักษ์ โดยแสดงให้เห็นว่าเส้นกราฟการหลอมเหลวมีความชัน Clapeyron ที่เป็นลบที่ความดันสูงยิ่งยวด กล่าวคือ เพชรจะมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นเมื่อมันหลอมละลาย ซึ่งตรงกันข้ามกับพฤติกรรมของน้ำแข็งบนพื้นผิวโลก

การประสานกันของทฤษฎีและการทดลองที่หาได้ยาก

ความคลาดเคลื่อนระหว่างผลการทดลองและผลการคำนวณเป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไปในฟิสิกส์ความดันสูง แต่แทบไม่เคยได้รับการแก้ไขอย่างหมดจดเช่นนี้มาก่อน การผสมผสานระหว่างเครื่องมือวัดที่มีความไวสูงขึ้นและการใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ทำให้ทีม LLNL สามารถวัดสิ่งที่การทดลองก่อนหน้านี้ไม่สามารถทำได้ และผลลัพธ์ที่ได้ก็สอดคล้องกับทฤษฎีภายในช่วงความคลาดเคลื่อน

การค้นพบนี้อาจมีความสำคัญในวงกว้างต่อพฤติกรรมของสถานะของคาร์บอน: เพชรเป็นอัญรูป (allotrope) ที่เสถียรของคาร์บอนที่ความดันสูงถึง 1 เทราปาสคาล (TPa) แต่เมื่อเกินเกณฑ์นั้น การคำนวณชี้ให้เห็นถึงการก่อตัวของโครงสร้างแบบ body-centered cubic (BC8) และที่ความดันสูงกว่า 3 TPa ก็คาดการณ์ว่าจะมีโครงสร้างแบบ simple cubic ปรากฏขึ้น ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับเส้นกราฟการหลอมเหลวของเพชรนี้จะช่วยปรับปรุงแผนภาพสถานะของคาร์บอนที่สภาวะสุดขั้ว ซึ่งเป็นสภาวะที่สถานะอื่นเหล่านี้อาจปรากฏขึ้น