Mejor comprensión de la formación de anillos de vórtice.
Los anillos de vórtice son perturbaciones arremolinadas en forma de anillo que viajan hacia afuera desde la estrella que colapsa. Estos anillos pueblan el universo con materia, lo que conduce a la formación de nebulosas, planetas e incluso nuevas estrellas, y hacia el interior durante las implosiones de fusión, lo que altera la estabilidad del combustible de fusión quemado y reduce la eficiencia de la reacción.
Una nueva investigación de la Universidad de Michigan explica cómo se forman estos anillos de vórtice. Una mejor comprensión de cómo se forman los anillos de vórtice podría ayudar a los investigadores de fusión nuclear a comprimir el combustible de manera más eficiente, dicen los científicos.
Los científicos han desarrollado un modelo que podría ayudar a diseñar la cápsula de combustible. Esto podría minimizar la energía perdida al intentar desencadenar la reacción que hace brillar a las estrellas. Además, el modelo podría ayudar potencialmente a otros ingenieros que tienen que lidiar con la mezcla de fluidos después de que haya pasado una onda de choque, así como a los físicos que intentan comprender las supernovas.
Michael Wadas, candidato a doctorado en ingeniería mecánica de la UM y autor correspondiente del estudio, dijo: «Nuestra investigación, que explica cómo se forman estos anillos de vórtice, puede ayudar a los científicos a comprender algunos de los eventos más extremos del universo y acercar a la humanidad a capturar el poder de la fusión nuclear como fuente de energía».
Los átomos son empujados juntos por la fusión nuclear hasta que se fusionan. La energía liberada por este proceso es muchas veces mayor que la energía liberada por la fisión que alimenta las plantas de energía nuclear en la actualidad. Los científicos pueden diseñar esta reacción fusionando diferentes tipos de hidrógeno en helio, pero actualmente se desperdicia gran parte de la energía necesaria para el proceso.
La incapacidad del combustible para comprimirse correctamente es un aspecto del problema. Las inestabilidades conducen a la producción de chorros que cruzan el punto caliente y el combustible sale disparado entre ellos. Los anillos de vórtice que se forman en el borde de ataque de estos chorros son matemáticamente similares a los anillos de humo y de plasma que salen volando de la superficie de una supernova.
Una matriz esférica de láseres dirigidos a una cápsula de combustible con forma de esfera es quizás el método de fusión más conocido. En la Instalación Nacional de Ignición, que recientemente ha establecido muchos récords de producción de energía, los experimentos se establecen de esta manera.
La energía láser vaporiza la capa de combustible, que en el registro más reciente de diciembre de 2022 era una capa de diamante cultivada en laboratorio prácticamente impecable. El combustible es forzado al interior a medida que los átomos de carbono salen volando a medida que esta capa se vaporiza. Se crea una onda de choque, empujando el combustible con tanta fuerza que el hidrógeno se enciende.
Los gránulos esféricos de combustible se encuentran entre los objetos más redondos que la humanidad haya creado jamás, pero cada uno incluye un tubo de llenado por donde entra el combustible, lo cual es un defecto deliberado. Esta es la ubicación más probable para que se forme un chorro dirigido por un anillo de vórtice cuando comienza la compresión.
Eric Johnsen, profesor asociado de ingeniería mecánica en la UM que supervisó el estudio, dijo: «Los experimentos de fusión ocurren tan rápido que solo tenemos que retrasar la formación del chorro unos pocos nanosegundos».
Los científicos podrían aprovechar y ampliar el cuerpo de información ya disponible en lugar de tratar de describir las estructuras observadas en los experimentos de fusión y los datos astrofísicos como características completamente nuevas.
Dado que debe haber tenido lugar un proceso de mezcla para formar la composición de planetas como la Tierra, Johnsen estaba particularmente interesado en el potencial de que los anillos de vórtice pudieran ayudar a mezclar elementos pesados y ligeros cuando las estrellas explotan.
El modelo también puede ayudar a los investigadores a comprender la cantidad máxima de energía que puede contener un anillo de vórtice, así como la cantidad máxima de fluido que se puede empujar antes de que el flujo se vuelva turbulento y más difícil de modelar. Actualmente, el equipo está realizando estudios para validar el modelo de anillo de vórtice.
Referencia de la revista:
- Michael J. Wadas, Loc H. Khieu et al. Saturación de anillos de vórtice expulsados de interfaces aceleradas por choque. Cartas de exploración física. YO: 10.1103/PhysRevLett.130.194001
