Miltä kuulostaisi laser, joka kuumentaa aineen Aurinkoa kuumemmaksi ainoastaan 20 kvadriljoonasosasekunnissa? Eikä kyse ole päivätähtemme pinnasta ja muutamasta tuhannesta asteesta, vaan Auringon keskuksesta ja miljoonista asteista.
Lontoon Imperial Collegen teoreetikot ovat kehittäneet huippunopean kuumennusmenetelmän, jolla lämpötila pystytään nostamaan kymmeneen miljoonaan asteeseen sekunnin miljoonasosan miljoonasosassa.
Nyt menetelmä pitäisi vain saada toimimaan muuallakin kuin supertietokoneen laskelmissa. Jos siinä onnistutaan, keksinnöllä voi olla suuri merkitys fuusiovoiman kehittämisessä. Se päihittäisi nopeudessa nykyiset menetelmät satakertaisesti.
Suurteholasereita on perinteisesti käytetty fuusiotutkimuksessa aineen kuumentamiseen. Tuoreessa tutkimuksessa tavoitteena oli löytää keino, jolla voitaisiin kuumentaa ioneja suoraan, sillä ne muodostavat suurimman osan aineesta.
Useimpia materiaaleja kuumennettaessa laserin energia nostaa ensin kohdeaineen elektronien lämpötilan. Vasta sitten elektronit alkavat kuumentaa ioneja, jolloin koko prosessi on paljon hitaampi verrattuna ionien suoraan kuumentamiseen.
Imperial Collegen tutkijaryhmä totesi, että kohdistettaessa suurteholaser tietynlaiseen aineeseen se saa aikaan sähköstaattisen shokkiaallon, joka kuumentaa ioneja.
"Tulos oli täysin odottamaton. Yksi fuusiotutkimuksen ongelmista on ohjata laserin energia oikeaan paikkaan oikealla hetkellä. Tällä menetelmällä energia saadaan suoraan ioneihin", kehuu Arthur Turrell.
Tavallisesti laserilla aikaansaadut sähköstaattiset shokkiaallot työntävät ioneja edellään, jolloin niiden nopeus kasvaa, mutta lämpötila ei nouse. Supertietokoneella tehdyn mallinnuksen avulla tutkijat totesivat, että jos aineessa on sopiva yhdistelmä ioneja, niiden nopeudet kasvavat eri tavoin.
Se saa aikaan kitkaa, joka puolestaan nostaa nopeasti ionien lämpötilaa. Laskelmien mukaan ilmiö on voimakkaimmillaan kiinteissä aineissa, joissa on kahdenlaisia ioneja, esimerkiksi muoveissa.
"Kaksi ionilajia toimivat kuin tulitikut ja tikkuaski; kumpiakin tarvitaan", selittää tutkimukseen osallistunut Mark Sherlock. "Nippu tulitikkuja ei syty itsekseen – tarvitaan kitkaa, jota syntyy, kun tikut raapaistaan askin kylkeen."
"Itsessään oli jo yllätys, että kohteena käytettävällä materiaalilla oli niin suuri merkitys", lisää ryhmään kuulunut Steven Rose. "Aineissa, joissa on ainoastaan yhtä ionilajia, ilmiötä ei esiinny lainkaan."
Kuumeneminen tapahtuu huippunopeasti, koska kohdemateriaali on hyvin tiheää. Ionit puristuvat yhteen lähes kymmenkertaiseen tiheyteen tavalliseen kiinteään aineeseen verrattuna. Sähköstaattisen shokkiaallon aiheuttama kitkaefekti on silloin paljon voimakkaampi kuin esimerkiksi harvemmassa kaasussa.
Jos menetelmä saadaan toimimaan myös käytännön tasolla, se olisi kaikkien aikojen nopein kuumennuskeino suurelle hiukkasmäärälle.
"Kun atomit törmäävät toisiinsa LHC-kiihdyttimen kaltaisissa laitteissa, tapahtuu vielä nopeampia lämpötilan muutoksia, mutta törmäykset tapahtuvat yksittäisten hiukkasten välillä", toteaa Turrell.
Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä.
Kuva: NASA/LMSAL