La ricerca che utilizza il laser più energetico del mondo ha fatto luce sulle proprietà della materia altamente compressa, essenziale per comprendere la struttura di pianeti e stelle giganti e per sviluppare la fusione nucleare controllata, un processo che potrebbe raccogliere energia priva di carbonio.
La materia all’interno dei pianeti giganti e di alcune stelle relativamente fredde è fortemente compressa dal peso degli strati soprastanti. Le pressioni estreme generate sono abbastanza forti da caricare gli atomi e generare elettroni liberi, in un processo noto come ionizzazione. Le proprietà materiali di tale materia sono principalmente determinate dal grado di ionizzazione degli atomi. Mentre la ionizzazione nelle stelle in fiamme è determinata principalmente dalla temperatura, la ionizzazione guidata dalla pressione domina negli oggetti stellari più freddi. Tuttavia, questo processo non è ben compreso e gli stati estremi della materia richiesti sono molto difficili da creare in laboratorio, limitando il potere predittivo necessario per modellare gli oggetti celesti.
Condizioni estreme si verificano anche negli esperimenti di fusione guidata dal laser in cui gli atomi di idrogeno vengono fusi ad alte pressioni e temperature in elio, un elemento più pesante. Questo processo è stato annunciato come una fonte di energia illimitata e priva di carbonio, utilizzando una grande energia in eccesso generata dalle reazioni di fusione per generare elettricità. I progressi in questa grande sfida scientifica si basano in gran parte sulla modellazione numerica e l’equilibrio di ionizzazione nei sistemi ad alta pressione è di fondamentale importanza.
L’unico modo per studiare questo complesso processo in laboratorio è quello di comprimere dinamicamente la materia a densità estreme che richiedono input di energia molto grandi in un tempo molto breve. In un nuovo esperimento pubblicato oggi su Nature, gli scienziati hanno fatto proprio questo utilizzando il laser più grande ed energico del mondo, il National Ignition Facility (NIF). Attraverso la loro ricerca presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), negli Stati Uniti, il team fornisce nuove informazioni sul complesso processo di ionizzazione guidata dalla pressione nei pianeti giganti e nelle stelle. Hanno studiato le proprietà e il comportamento della materia sotto compressione estrema, offrendo importanti implicazioni per l’astrofisica e la ricerca sulla fusione nucleare.
Il team di ricerca internazionale ha utilizzato il NIF per generare le condizioni estreme necessarie per la ionizzazione guidata dalla pressione. Hanno focalizzato 184 raggi laser su una cavità, convertendo l’energia laser in raggi X che hanno riscaldato un guscio metallico di 2 mm posto al centro. Mentre l’esterno del guscio si espandeva rapidamente a causa del riscaldamento, l’interno veniva spinto verso l’interno, raggiungendo temperature di circa due milioni di kelvin (1,9 milioni di gradi Celsius) e pressioni fino a tre miliardi di atmosfere, creando un minuscolo pezzo di materia come si trova in stelle nane per pochi nanosecondi.
Il guscio metallico altamente compresso (fatto di berillio) è stato quindi analizzato utilizzando i raggi X per rivelarne la densità, la temperatura e la struttura elettronica. I risultati hanno rivelato che, a seguito di un forte riscaldamento e compressione, almeno tre elettroni su quattro nel berillio sono passati a stati conduttivi, cioè possono muoversi indipendentemente dai nuclei nucleari degli atomi. Inoltre, lo studio ha scoperto uno scattering di raggi X elastico inaspettatamente debole, indicando una localizzazione ridotta dell’elettrone rimanente, che è un nuovo stadio poco prima che tutti gli elettroni si liberino e quindi rivelando i percorsi verso uno stato completamente ionizzato.
Il fisico LLNL Tilo Döppner, che ha guidato il progetto, ha dichiarato: “Ricreando condizioni estreme simili a quelle all’interno di pianeti e stelle giganti, siamo stati in grado di osservare i cambiamenti nelle proprietà dei materiali e nella struttura degli elettroni che non sono catturati dai modelli attuali. Il nostro lavoro apre nuovi strade per studiare e modellare il comportamento della materia sotto compressione estrema. La ionizzazione nei plasmi densi è un parametro chiave in quanto influenza l’equazione di stato, le proprietà termodinamiche e il trasporto della radiazione attraverso l’opacità.
Il professore associato Dirk Gericke, Università di Warwick, Dipartimento di fisica, ha aggiunto: “L’aver creato e diagnosticato queste pressioni estreme in laboratorio fornisce un punto di riferimento inestimabile per i nostri modelli teorici. Sono urgentemente necessarie migliori capacità predittive non solo per l’astrofisica ma anche per ulteriori progressi verso la fusione nucleare controllata che permetterebbe di raccogliere la fonte di energia delle stelle per l’umanità”.
La ricerca pionieristica è stata il risultato di una collaborazione internazionale per sviluppare lo scattering Thomson a raggi X presso il NIF come parte del programma Discovery Science di LLNL. Hanno collaborato scienziati dell’Università di Rostock (Germania), Università di Warwick (Regno Unito), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germania), Università della California Berkeley, SLAC National Accelerator Laboratory, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germania), Università di Lione (Francia), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (Regno Unito) e First Light Fusion Ltd. (Regno Unito).
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