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 15.000^οC 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

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.