Φυσαλίδες που καταρρέουν έχουν θερμό πυρήνα πλάσματος

Πηγή: Nature, Μάρτιος 2005

Η ανακάλυψη θα αναζωπυρώσει τη διαμάχη και τις ελπίδες για την επίτευξη σύντηξης στον πάγκο του εργαστηρίου. Έχουν αποκαλέσει το φαινόμενο: άστρο μέσα στη γυάλα. Όταν ηχητικά κύματα συνθλίβουν φυσαλίδες αερίου μέσα σ' ένα υγρό, ελευθερώνεται ενέργεια μέσα σε μια έντονη έκλαμψη θερμότητας και φωτός. 

Τώρα οι πρώτες λεπτομερείς μετρήσεις του φαινομένου έδειξαν ότι τα μόρια του αερίου δημιουργούν πραγματικά μια μικρή περιοχή πλάσματος, δηλαδή μια σούπα ιόντων και ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, σαν αυτή που υπάρχει σε κάθε άστρο.  

Η έρευνα αυτή αναπτερώνει τις ελπίδες ότι το φαινόμενο αυτό που λέγεται ηχοφωταύγεια, θα μπορούσε μια μέρα να χρησιμοποιηθεί ως μια πρακτικά απεριόριστη πηγή ενέργειας. 

Οι Ken Suslick και David Flannigan, χημικοί από το πανεπιστήμιο του Illinois στην Urbana-Champaign, λένε ότι έχουν καταγράψει τις πιο έντονες αναλαμπές φωτός που παρατηρήθηκαν ποτέ από αυτές τις φυσαλίδες, οι οποίες είναι ορατές με γυμνό μάτι, και μας επέτρεψαν να δούμε τι ακριβώς συμβαίνει στο εσωτερικό των φυσαλίδων.
"Κανείς ως τώρα δεν μπόρεσε να μετρήσει τη θερμοκρασία μέσα σε μια καταρρέουσα φυσαλίδα" λέει ο Suslick. Οι φυσαλίδες έφτασαν σε θερμοκρασία πάνω από 15.000οC λέει ο ίδιος, δηλαδή 4 φορές πιο θερμές από την επιφάνεια του ήλιου. 

Το νέφος αυτό των φυσαλίδων που καταρρέουν, φωτίζεται από την ίδια τους την ηχοφωταύγεια

Η υπόσχεση του πλάσματος

Το 2002, μια ομάδα ερευνητών υπό τη διεύθυνση του Rusi Taleyarkhan, ενός φυσικού από το Εθνικό Αμερικανικό Εργαστήριο του Oak Ridge στοTennessee, έκανε μια αμφιλεγόμενη δήλωση, ότι δηλαδή είχε δει παρόμοιες φυσαλίδες που προκαλούσαν σύντηξη, την διαδικασία εκείνη που αποτελεί την πηγή ενέργειας του Ήλιου. 

Ο Suslick όμως, όπως και οι περισσότεροι ερευνητές σ' αυτό το πεδίο, πιστεύει ότι "η σύντηξη με φυσαλίδες" είναι κάτι που χρειάζεται ν' αποδειχτεί. 

"Τα αποτελέσματά μας μπορούν είτε να επιβεβαιώσουν είτε να διαψεύσουν τους ισχυρισμούς του Taleyarkhan για την σύντηξη," λέει ο Suslick. Προσθέτει όμως ότι κάθε εντοπισμένη αντίδραση σύντηξης χρειάζεται την ύπαρξη πλάσματος. "Η εργασία μας δείχνει για πρώτη φορά και με σιγουριά, ότι μπορεί να σχηματιστεί πλάσμα κατά τη διαδικασία της ηχοφωταύγειας." Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature. 

Διόγκωση και συμπίεση

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηχητικά κύματα με συχνότητες μεταξύ 20 και 40 kHz, πάνω από την ακουστή για τον άνθρωπο περιοχή, σε ένα δείγμα συμπυκνωμένου θειικού οξέος που περιείχε και ίχνη αερίου αργού. 

Τα ηχητικά κύματα παράγουν περιοχές υψηλής και χαμηλής πυκνότητας εντός του υγρού, και κάνουν την πίεση σε κάθε σημείο να κυμαίνεται μεταξύ ακραίων τιμών. Οι φυσαλίδες του αερίου στο υγρό διογκώνονται γρήγορα σε πιο χαμηλές πιέσεις πριν να συμπιεστούν ισχυρά από την υψηλή πίεση που ακολουθεί. 

Η μεταβολή στην πίεση είναι τόσο γρήγορη ώστε η φυσαλίδα καταρρέει προς το εσωτερικό της με αρκετή δύναμη ώστε να παράγει τρομακτική θερμότητα, με μια διαδικασία που λέγεται ακουστική κοίλωση. "Η συμπίεση ενός αερίου το θερμαίνει, ακριβώς όπως συμβαίνει όταν τρομπάρουμε αέρα στο λάστιχο ενός ποδηλάτου" εξηγεί ο Suslick. Η θερμότητα με τη σειρά της διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια από τα άτομα που ανήκαν, και καθώς αυτά ξανασυλλαμβάνονται και επιστρέφουν στη θέση τους, η ενέργεια που είχαν αποκτήσει ελευθερώνεται σαν μια έκλαμψη φωτός. 

Η απόδειξη για το σχηματισμό πλάσματος προέρχεται από την παρουσία ενός ιονισμένου μορίου Οξυγόνου (O2+). Κάποιες διαδικασίες πρέπει να απομακρύνουν ένα ηλεκτρόνιο από το μόριο, χωρίς όμως να διασπούν το χημικό δεσμό που συγκρατεί τα δύο άτομα του Οξυγόνου. 

Η θέρμανση από μόνη της θα διασπούσε το μόριο στα δύο άτομα, κι έτσι οι Suslick και Flannigan ισχυρίζονται ότι το μόριο ιονίζεται μετά από σύγκρουση με ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας ή με άλλα ιόντα μέσα σ' ένα πυρήνα από πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας. 

Η τακτική με το στοιχείο Αργόν

Οι προηγούμενες μετρήσεις της ακουστικής κοίλωσης αφορούσαν φυσαλίδες σε νερό, και συνοδεύονταν πάντα από το γεγονός ότι η περισσότερη από την ενέργεια της ηχοφωταύγειας απορροφάται από τα μόρια του υδρατμού μέσα στη φυσαλίδα. 

Το θειϊκό οξύ όμως είναι πολύ λιγότερο πτητικό από το νερό, κι έτσι οι φυσαλίδες του Suslick περιείχαν πολύ λίγα μόρια θειϊκού οξέος ενώ αποτελούνταν σχεδόν αποκλειστικά από Αργό. Επειδή λοιπόν το Αργό είναι σε ατομική κατάσταση μάλλον παρά σε μοριακή, δεν περιέχει χημικούς δεσμούς ικανούς να ταλαντωθούν ή να σπάσουν, κι έτσι έχει λιγότερες ευκαιρίες για να απορροφήσει ενέργεια. 

Οι καταρρέουσες φυσαλίδες ελευθέρωσαν περίπου 2.700 φορές περισσότερο φως από ισοδύναμες φυσαλίδες νερού, κάνοντας έτσι σημαντικά ευκολότερη τη μέτρηση της θερμοκρασίας με ακρίβεια, λέει ο Suslick. 

"Τα πειράματα των Flannigan και Suslick είναι πολύ σημαντικά, καθώς αποτελούν την πρώτη άμεση μέτρηση της θερμοκρασίας και της κατάστασης της ύλης σε μια μεμονωμένη φυσαλίδα υπό κατάρρευση" σχολιάζει ο Detlef Lohse, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο Twente στο Enschede, της Ολλανδίας. 

Η ομάδα του Suslick χρησιμοποιεί ήδη την ακουστική κοίλωση για να προκαλέσει χημικές αντιδράσεις, και ελπίζει ότι θα μπορέσει ν' αυξήσει τα ποσά ενέργειας που ελευθερώνονται από τις φυσαλίδες με το πλάσμα, χρησιμοποιώντας διάφορα μίγματα αερίων και υγρών. 


Η ηχοφωταύγεια είναι το παράξενο φαινόμενο της εκπομπής φωτεινής ακτινοβολίας από ένα υγρό το οποίο περιέχει διαλυμένα αέρια και υποβάλλεται σε δονήσεις με υπερήχους. Αν η ένταση των υπερήχων είναι αρκετά μεγάλη, τότε στη μάζα του υγρού λαμβάνει χώρα ένα φαινόμενο "σπηλαίωσης". Η θερμοκρασία των παραγομένων μικροσκοπικών φυσαλίδων του αερίου είναι πολύ μεγάλη, με αποτέλεσμα οι φυσαλίδες να γίνονται διάπυρες (να φωτοβολούν).

Η προέλευση της ηχοφωταύγειας είναι ένα από τα μεγάλα μυστήρια στη φυσική. Σε ένα πείραμα ηχοφωταύγειας, η φυσαλίδα μπορούσε να επεκταθεί σε ένα μέγεθος μέχρι 50 μm και έπειτα να καταρρεύσει σε μια ακτίνα μικρότερη από 1μm, περίπου μέσα σε 50μsec. Εκπέμπονται δε σύντομες λάμψεις φωτός μέσα σε αυτήν την ελάχιστη ακτίνα.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Δύσπιστοι παραμένουν οι επιστήμονες στην ψυχρή σύντηξη
Σύντηξη με φυσαλίδες
Παρατηρήθηκε πράγματι μια πυρηνική σύντηξη σ' ένα θάλαμο φυσαλίδων;

Home