Representación de un artista de la corriente eléctrica que fluye a través de una instalación de fusión de tokamak. Crédito: Elle Starkman / Oficina de Comunicaciones de PPPL
La corriente eléctrica está en todas partes, desde alimentar hogares hasta controlar el plasma que alimenta reacciones de fusión que posiblemente den lugar a vastos campos magnéticos cósmicos. Ahora, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) (PPPL) han descubierto que las corrientes eléctricas se pueden formar de formas desconocidas antes. Los nuevos hallazgos podrían dar a los investigadores una mayor capacidad para llevar la energía de fusión que impulsa al sol y las estrellas a la Tierra.
“Es muy importante comprender qué procesos producen corrientes eléctricas en el plasma y qué fenómenos podrían interferir con ellos”, dijo Ian Ochs, estudiante de posgrado en Universidad de Princeton‘s Program in Plasma Physics y autor principal de un artículo seleccionado como artículo destacado en Física de Plasmas. “Son la herramienta principal que utilizamos para controlar el plasma en la investigación de fusión magnética”.
Estudiante de posgrado Ian Ochs. Crédito: Elle Starkman
La fusión es el proceso que rompe los elementos ligeros en forma de plasma, el estado caliente y cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, generando cantidades masivas de energía. Los científicos buscan replicar la fusión para obtener un suministro de energía prácticamente inagotable para generar electricidad.
Las corrientes inesperadas surgen en el plasma dentro de las instalaciones de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks. Las corrientes se desarrollan cuando un tipo particular de onda electromagnética, como las que emiten las radios y los hornos microondas, se forma espontáneamente. Estas ondas empujan algunos de los electrones que ya se mueven, “que se montan en la ola como surfistas en una tabla de surf”, dijo Ochs.
Pero las frecuencias de estas ondas son importantes. Cuando la frecuencia es alta, la onda hace que algunos electrones se muevan hacia adelante y otros hacia atrás. Los dos movimientos se cancelan entre sí y no se produce corriente.
Sin embargo, cuando la frecuencia es baja, las ondas empujan hacia adelante sobre los electrones y hacia atrás sobre los núcleos atómicos, o iones, creando una corriente eléctrica neta después de todo. Ochs descubrió que los investigadores podían crear sorprendentemente estas corrientes cuando la onda de baja frecuencia era de un tipo particular llamado “onda acústica de iones” que se asemeja a las ondas sonoras en el aire.
La importancia de este hallazgo se extiende desde la escala relativamente pequeña del laboratorio hasta la gran escala del cosmos. “Hay campos magnéticos en todo el universo en diferentes escalas, incluido el tamaño de las galaxias, y realmente no sabemos cómo llegaron allí”, dijo Ochs. “El mecanismo que descubrimos podría haber ayudado a sembrar campos magnéticos cósmicos, y cualquier mecanismo nuevo que pueda producir campos magnéticos es interesante para la comunidad astrofísica”.
Nathaniel Fisch, físico de PPPL, director del Programa de Física del Plasma. Crédito: Elle Starkman
Los resultados de los cálculos con lápiz y papel consisten en expresiones matemáticas que dan a los científicos la capacidad de calcular cómo se desarrollan y crecen estas corrientes, que ocurren sin que los electrones interactúen directamente. “La formulación de estas expresiones no fue sencilla”, dijo Ochs. “Tuvimos que condensar los hallazgos para que fueran lo suficientemente claros y usar expresiones simples para capturar la física clave”.
Los resultados profundizan la comprensión de un fenómeno físico básico y también fueron inesperados. Parecen contradecir la noción convencional de que los impulsores actuales requieren colisiones de electrones, dijo Ochs.
“La cuestión de si las ondas pueden impulsar cualquier corriente en el plasma es en realidad muy profunda y se refiere a las interacciones fundamentales de las ondas en el plasma”, dijo Nathaniel Fisch, coautor del artículo, profesor y presidente asociado del Departamento de Ciencias Astrofísicas, y director del Programa de Física del Plasma. “Lo que Ochs dedujo de una manera magistral y didáctica, con rigor matemático, no fue solo cómo estos efectos a veces se equilibran, sino también cómo estos efectos a veces conspiran para permitir la formación de corrientes eléctricas netas”.
Estos hallazgos sientan las bases para futuras investigaciones. “Lo que me emociona especialmente”, dijo Fisch, “es que el formalismo matemático que ha construido Ochs, junto con las intuiciones físicas y las percepciones que ha adquirido, lo colocan ahora en una posición para desafiar o para establecer una base firme incluso comportamiento más curioso en las interacciones de ondas con partículas resonantes en plasma ”.
Referencia: “Impulso de corriente de intercambio de momento por ondas electrostáticas en un plasma sin colisión no magnetizado” por Ian E. Ochsa y Nathaniel J. Fisch, 22 de junio de 2020, Física de Plasmas.
DOI: 10.1063 / 5.0011516
