Μια θεμελιώδη πρόκληση που απασχολεί την επιστημονική κοινότητα εδώ και δεκαετίες βρήκε επιτέλους απάντηση στα εργαστήρια του Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Σε μια εξέλιξη που γεφυρώνει το χάσμα ανάμεσα στη θεωρητική αστροφυσική και την πειραματική φυσική, ερευνητές κατάφεραν να μετρήσουν πυρηνικές αντιδράσεις απευθείας μέσα σε περιβάλλον καυτού πλάσματος, προσομοιώνοντας με πρωτοφανή πιστότητα τις συνθήκες που επικρατούν στον πυρήνα των άστρων.
Το επίτευγμα αυτό δεν αποτελεί απλώς μια εργαστηριακή επιτυχία, αλλά ανατρέπει τον τρόπο που κατανοούμε τη γένεση της ενέργειας στο Σύμπαν και, κατ’ επέκταση, τον τρόπο που προσπαθούμε να την τιθασεύσουμε εδώ στη Γη μέσω της πυρηνικής σύντηξης.
Μέχρι σήμερα, η γνώση μας για τις πυρηνικές αντιδράσεις βασιζόταν κυρίως σε πειράματα με επιταχυντές σωματιδίων. Σε αυτές τις διαδικασίες, δέσμες ιόντων προσκρούουν σε στόχους στερεάς ή αέριας ύλης. Αν και χρήσιμη, αυτή η μέθοδος έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα: οι στόχοι είναι «κρύοι». Δεν διαθέτουν την ακραία θερμοκρασία και πυκνότητα που συναντάμε στο εσωτερικό ενός άστρου ή σε μια αντίδραση σύντηξης για παραγωγή ενέργειας.
Η ειδοποιός διαφορά έγκειται στην κατάσταση της ύλης. Τα άστρα δεν αποτελούνται από στερεά ύλη, αλλά από πλάσμα – μια «σούπα» ιόντων και ελεύθερων ηλεκτρονίων. Στο LLNL, χρησιμοποιώντας την Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης (National Ignition Facility – NIF), οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν αυτό ακριβώς το περιβάλλον. Χρησιμοποίησαν τα ισχυρότερα lasers του κόσμου για να συμπιέσουν και να θερμάνουν κάψουλες καυσίμου, δημιουργώντας ένα πλάσμα υψηλής ενεργειακής πυκνότητας (HED).
Στο επίκεντρο βρίσκεται το φαινόμενο της «θωράκισης ηλεκτρονίων». Σε περιβάλλον πλάσματος, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια επηρεάζουν την πιθανότητα να συγκρουστούν και να ενωθούν οι πυρήνες των ατόμων. Αυτή η αλληλεπίδραση αλλάζει δραματικά τον ρυθμό των αντιδράσεων σε σύγκριση με τα πειράματα των επιταχυντών.
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο NIF έδειξαν πως οι πυρηνικές αντιδράσεις μέσα στο πλάσμα συμπεριφέρονται διαφορετικά από ό,τι περιμέναμε βασιζόμενοι μόνο στα παλαιότερα δεδομένα. Συγκεκριμένα, η ομάδα μελέτησε την αντίδραση σύντηξης δευτερίου-τριτίου (D-T) και άλλες ελαφρύτερες αντιδράσεις που είναι κομβικής σημασίας για την κατανόηση της αστρικής εξέλιξης.
Τα δεδομένα που προέκυψαν από το πείραμα προσφέρουν μια «διορθωτική ματιά» στα μοντέλα μας για το σύμπαν. Οι αστροφυσικοί μπορούν πλέον να υπολογίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια:
Τον κύκλο ζωής των άστρων: Πόσο γρήγορα καίνε τα καύσιμά τους τα άστρα διαφορετικής μάζας.Τη δομή των καφέ νάνων: Ουράνια σώματα που βρίσκονται στο μεταίχμιο μεταξύ πλανητών και άστρων, των οποίων η εσωτερική λειτουργία παρέμενε ασαφής.Την παραγωγή στοιχείων: Πώς δημιουργούνται τα βαρύτερα στοιχεία στον πυρήνα των άστρων, μια διαδικασία γνωστή ως πυρηνοσύνθεση.
Πέρα από τη θεωρητική φυσική, τα αποτελέσματα έχουν άμεση εφαρμογή στην προσπάθεια της ανθρωπότητας για καθαρή ενέργεια. Η Αδρανειακή Σύντηξη (Inertial Confinement Fusion), η μέθοδος που χρησιμοποιεί το NIF, εξαρτάται από την ακριβή γνώση των ρυθμών αντίδρασης.
Εάν οι προσομοιώσεις των υπολογιστών δεν τροφοδοτούνται με τα σωστά δεδομένα για το πώς συμπεριφέρεται το πλάσμα, είναι αδύνατο να σχεδιαστούν αποδοτικοί αντιδραστήρες. Η εργασία του LLNL παρέχει ακριβώς αυτές τις παραμέτρους, επιτρέποντας στους μηχανικούς να βελτιστοποιήσουν τους στόχους καυσίμου και τη διάταξη των λέιζερ για μέγιστη απόδοση.
Η δημοσίευση της μελέτης σηματοδοτεί την αρχή μιας νέας μεθοδολογίας. Πλέον, το πλάσμα δεν είναι απλώς το μέσο για την επίτευξη σύντηξης, αλλά μετατρέπεται σε εργαστήριο ακριβείας. Η ικανότητα μέτρησης των ενεργών διατομών των πυρηνικών αντιδράσεων υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες ανοίγει τον δρόμο για πειράματα που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατα.
Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας και οι συνεργάτες του από διάφορα πανεπιστήμια και ινστιτούτα τονίζουν ότι αυτή είναι μόνο η αρχή. Με την περαιτέρω αναβάθμιση των δυνατοτήτων του NIF, αναμένεται να διερευνηθούν ακόμη πιο πολύπλοκες αντιδράσεις, ρίχνοντας φως στις πιο βίαιες και ενεργοβόρες διαδικασίες του Σύμπαντος.