Даймондтың өте жоғары балқу температурасы ядролық синтез үшін көбірек энергия бөлуі мүмкін.

• Шамадан тыс қысымға ұшыраған кезде, алмас қазір кванттық модельдеу нәтижелеріне өте ұқсас жолмен балқиды, бұл шамамен 20 жылға созылған дауды шешті.

• Рентгендік өлшеулер белгілі алмас кристалының бір реттік соққы кезінде алдымен болжамды BC8 формасына айналмай, балқу температурасына дейін сақталғанын көрсетеді.

• Балқу шарттарының қайта қаралуы термоядролық эксперименттерде бастапқы соққы толқындарының әлсіреуіне мүмкіндік береді, бұл энергия шығынын арттырып, мұз алып планеталарындағы «гауһар жаңбырдың» модельдерін жақсартуы мүмкін.

Алмаз көптеген материалдарды бұзатын жағдайларға төтеп бере алады, бірақ термоядролық эксперименттерде қолданылатын үлкен қысым кезінде ол ақырында ыдырайды. Жаңа өлшемдер бізге бұл балқудың қалай жүретінін дәл анықтауға мүмкіндік береді, бұл эксперименттер мен теория арасындағы 20 жылдық келіспеушілікті шешеді.

Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының ғалымдары жүргізген зерттеулер гауһар тастарға соққылық қысымның әсерін шамамен бір терапаскаль қысымға, яғни Жер ядросындағы қысымнан шамамен үш есе жоғары қысымға дейін бақылады. Тәжірибелер сонымен қатар Нептун мен Уранның ішіндегі қысымнан асып түсті.

20 жылдық температура айырмашылығы азайды.

LLNL зерттеушілері ондаған жылдар бойы аса қысымдағы гауһар тастарды зерттеп келеді. Шамамен 20 жыл бұрын Джон Эггерт және оның әріптестері гауһар тастардың жоғары қысымда балқытылған кезде тығыздалатынын анықтады, бұл көптеген материалдар үшін ерекше құбылыс.

Бұл алғашқы тәжірибелер қиын мәселе туғызды. Өлшенген балқу температурасы кейінгі салыстыруларда теориялық болжамдардан шамамен 201 TP3 T немесе шамамен 1500 кельвинге ерекшеленді. Жетілдірілген модельдеу әдістері тәжірибелік мәндерді қайталай алмады.

Sandia ұлттық зертханаларындағы жұмыстан тағы бір сұрақ туындады. Нәтижелер алмаздың балқу алдында BC8 деп аталатын басқа кристалдық фазаға өтетіндігінің ықтимал дәлелі ретінде түсіндірілді.

Жаңа LLNL тәжірибелері екі даулы мәселені де тікелей шешуге бағытталған.

Рентген сәулелері еріп бара жатқан гауһар тасты түсіріп алады.

Рочестер университетінің лазерлік энергетика зертханасындағы Omega лазерлік қондырғысында зерттеушілер синтетикалық алмас үлгілеріне қуатты ультракүлгін лазерлік импульстарды бағыттады. Лазерлер материалда соққы толқындарын тудырды.

Сығылған күйлер тек секундтың миллиардтан бір бөлігіне ғана созылды. Осы аралықта топ соққы толқынының жылдамдығын, шағылысу қабілетін, жылу сәулеленуін және рентгендік дифракцияны өлшеді, бұл атом құрылымын анықтауға мүмкіндік береді.

«Бұл соққы арқылы сығылған гауһардың балқу сатысына дейін рентгендік дифракция арқылы зерттелген алғашқы жағдай болды», - деді LLNL ғалымы Мариус Миллот. «Бұл өлшеулер өте қиын, себебі көміртек кішкентай, жеңіл атом. Ол өте аз рентген сәулелерін шашыратады, сондықтан бізге өлшеу үшін қажет сигнал өте әлсіз болды».

Топ үздіксіз электр тогының соғуымен 12 тәжірибе және үлгі арқылы өткен кезде әлсірейтін соққылармен жеті тәжірибе жүргізді.

Өлшеулер кең балқу аймағын анықтады. Шамамен 750-ден 1000 гигапаскальға дейінгі диапазонда қысым артқан сайын соққы температурасы аздап төмендеді, бұл теріс көлбеу балқу қисығының тікелей дәлелі болды. Температура шамамен 7000 Кельвин болды.

Соққы толқыны күшейген сайын шағылысу да күрт артты, бұл өткізгіш сұйық көміртектің көп екенін көрсетеді. Сонымен қатар, кристалды үлгіден алынған рентгендік дифракция шамамен он есе әлсіреп, секундына шамамен 24,2 ± 0,2 километр жылдамдықпен нөлге жақындады.

Жалпы алғанда, бұл сигналдар кванттық механикалық есептеулерге негізделген модельдеу нәтижелерімен тығыз сәйкес келді.

«Бастапқы температура өлшемдерінің 1000 градустан астамға өзгергенін анықтау көңіл көншітпегенімен, жаңа диагностиканың арқасында деректер сапасының айтарлықтай жақсарғанын көру өте қуанышты», - деді Эггерт. «Сонымен қатар, балқу туралы алғашқы болжамымыз қазір рентгендік дифракцияны қолдану арқылы тікелей расталды».

Гауһар ерігенше гауһар болып қала береді.

Рентгендік деректер аралық кристалдық фазаның бар екенін де көрсетті.

Зерттеушілер сығылған қатты заттың ерігенге дейін қалыпты кубтық гауһар құрылымын сақтап қалғанының сенімді дәлелдерін тапты. Өлшенген дифракция шыңын BC8 қосылысына тағайындау бұрынғы өлшеулерден шамамен 30%-ге ерекшеленетін тығыздық мәндерін берді.

Сондай-ақ, топ BC8-дің айтарлықтай мөлшерінен күтілетін қосымша дифракция сызықтарын анықтай алмады.

Бұл нәтиже BC8-ге көшуді шамамен 875-тен 900 гигапаскальға дейін деп бағалаған бұрынғы түсіндірулерге қайшы келеді. Дегенмен, бұл күшті көміртекті байланыстар бір соққы кезінде қайта құрылуға кедергі келтіретін энергетикалық тосқауыл жасайтынын көрсететін молекулалық динамиканы модельдеумен сәйкес келеді.

«Біз мұның себебі үлгінің бір ғана соққыға ұшыраған кезде өзгеруге уақыты болмағандықтан болады деп санаймыз. Ол гауһар құрылымның ішінде «құлыпталған» күйінде қалады», - деді Милло.

Тәжірибелер бірнеше наносекундқа ғана созылды. Бұрынғы зерттеу BC8 ауысуы шамамен 40 наносекунд бойы соққы толқынының таралуын қамтығанын көрсетті. Авторлар уақыт шкаласындағы айырмашылық нәтижелерді сәйкестендіруге көмектесуі мүмкін деп тұжырымдайды.

Әлсіз алғашқы импульс ядролық синтездің энергия шығынын арттыруы мүмкін.

Балқу температурасын өлшеу Ұлттық тұтану қондырғысындағы инерциялық балқу процесіне тікелей әсер етеді.

NIF қондырғысында дейтерий-тритий отынының мұздатылған қабаты бар миллиметрлік гауһар капсулалары қолданылады. Лазерлер капсуланы секундына 400 шақырымнан астам жылдамдықпен ішке қарай үдетеді. Нәтижесінде пайда болған жарылыс 30 петапаскальдан асатын қысым мен 100 миллион Кельвиннен асатын температураны тудырады.

Қазіргі заманғы конструкциялар алмастың толық еруін қамтамасыз ету үшін 1,2 терапаскальдан асатын бастапқы соққы импульсін пайдаланады. Тегіс сұйық қабық жарылыс кезіндегі кемшіліктерді азайтуға көмектеседі.

Жаңа деректер бастапқы соққы әлсіз болған кезде толық балқу болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл энтропияның төмен сығымдау жолын қамтамасыз етеді және термоядролық отынды сығылуды жеңілдетеді.

«Біздің жұмысымыз бастапқы соққы толқындарын сәл баяуырақ пайдалана алатынымызды және NIF-тегі имплозияларымызда гауһардың толық еруіне қол жеткізе алатынымызды көрсетеді», - деді Милло. «Бұл өте қызықты, себебі мұндай баяу соққы толқыны термоядролық отынды сығылатын етеді. Бұл өз кезегінде сол лазерлік энергиямен қол жеткізе алатын максималды энергия шығынын арттырады».

Зерттеу тобы ұсынған модельдер, егер басқа ыдырау механизмдерін басқаруға болатын болса, жоғары қысу қазіргі конструкциялармен салыстырғанда бөлінетін термоядролық энергияны үш есеге арттыруы мүмкін екенін көрсетеді.

Зерттеудің практикалық салдары

Қайта қаралған балқу қисығы термоядролық зерттеушілерге алмас капсулаларын қозғалтатын соққы толқындарының күші мен уақытын таңдау үшін сенімдірек негіз береді. Бұл лазер энергиясын арттырмай жоғары сығымдау коэффициенттеріне қол жеткізуге мүмкіндік береді, дегенмен болжамды пайда өнімділіктің төмендеуінің басқа көздерін бақылауға тәуелді болып қала береді.

Алынған өлшеулер сонымен қатар экстремалды қысым жағдайындағы көміртектің мінез-құлқын модельдеу үшін сенімдірек критерийлерді ұсынады.

Планеталық ғылым үшін алынған нәтижелер Нептун мен Уранның ішіндегі қысымнан асатын қысымды қамтиды. Бұл зерттеушілерге көміртегі мұз алыптарының тереңінде кристалданып, олардың ішінен «гауһар жаңбыр» түрінде түсетін модельдер үшін дәлірек эксперименттік шектеулер береді.

LLNL Ұлттық термоядролық синтез қондырғысын соққы толқындары астында қайталанатын қысуды қоса алғанда, қиын жағдайларды зерттеу үшін пайдалануды жоспарлап отыр. Бұл тәжірибелер таныс гауһар құрылымының қай жерде тұрақтылығын жоғалтатынын және капсуланың термоядролық ыдыраудың кейінгі кезеңдерінде қалай әрекет ететінін тексеруі мүмкін.

Гауһардың балқуы, термоядролық энергия және гауһар жаңбыры туралы көбірек біліңіз.

Бұл мақалаларда көміртектің шамадан тыс қысымдағы әрекеті, инерциялық термоядролық синтез үшін алмастың маңыздылығы және ұқсас физикалық процестердің Нептун сияқты планеталардың ішкі құрылымын қалай қалыптастыруы мүмкін екендігі қарастырылады.

Сұйық көміртек құрылымы in situ рентгендік дифракция арқылы анықталады. Соққы компрессиясы мен рентгендік дифракцияны қолдана отырып, зерттеушілер сұйық көміртектің атомдық құрылымын тікелей өлшеді және алмас пен сұйықтықтың толық ерігенге дейін бірге өмір сүруін құжаттады. Бұл жұмыс термоядролық синтезде және планетаологияда қолданылатын көміртек модельдері үшін эксперименттік эталондарды ұсынады. (Табиғат, 2025)

Алмаздан BC8-ге, содан кейін қарапайым кубтық құрылымға және кері: метадинамиканы қолдана отырып, алмастан кейінгі көміртек фазаларының пайда болуының кинетикалық жолдары. Модельдеулер алмастың 1,5 терапаскальдан жоғары қысымда ультра тығыз BC8 және қарапайым кубтық көміртекке қалай айнала алатынын зерттейді, BC8 түзілуіне ықпал ететін тар қысым мен температура диапазондарын анықтайды. (Физикалық шолу B, 2026)

Инерциялық синтез экспериментінде бірліктен жоғары мақсатты күшейтуге қол жеткізу. Ұлттық тұтандыру қондырғысындағы бұл маңызды эксперимент нысанаға бағытталған 2,05 мегаджоуль лазерлік энергиядан 3,1 мегаджоуль синтез энергиясын өндірді, бұл нысананың бірліктен жоғары күшейтілуін көрсетті және гауһар капсулалардың жарылуы процесін жақсарту жөніндегі күш-жігер үшін маңызды контекст берді. (Физикалық шолу хаттары, 2024)

Мұзды планеталық жағдайларда көмірсутектерден гауһар жауын-шашынының динамикасы. Жоғары қысымды эксперименттер мұзды планеталарға тән жағдайларда көмірсутектерден гауһар жауын-шашынының пайда болуын зерттеді, бұл Уран, Нептун және осыған ұқсас экзопланеталардың ішінде гауһар жауын-шашын болуы мүмкін деген гипотезаны растады. (Табиғат астрономиясы, 2024)

Планеталардағы көмірсутек қоспаларынан алмас түзілуінің термодинамикасы. Кванттық дәлдіктегі модельдер бізге көміртек-сутегі қоспаларынан алмастардың түзілуі мүмкін жағдайларын анықтауға және фазалық бөліну алмас түзілуін айтарлықтай жеңілдететін жоғары қысым режимін анықтауға мүмкіндік берді, әсіресе Нептунның ішкі бөлігіне тән жағдайларда. (Nature Communications, 2023)

Зерттеу нәтижелері Nature Physics онлайн журналында жарияланды.

«Гауһардың өте жоғары балқу температурасы ядролық синтез үшін көбірек энергия бөліп шығаруы мүмкін» атты түпнұсқа мақала The Brighter Side of News басылымында жарияланды.

Ұқсас мақалалар

• Меркурий бетінің астында қалыңдығы 10 миль болатын гауһар тастар қабаты жатыр.

• Таза алтыбұрышты гауһар тастар бар және олар табиғи гауһар тастарға қарағанда қаттырақ.

• 50 000 жылдық метеорит ғалымдарға Жердегі ең қатты гауһар тастарды жасауға көмектесті.

Сізге осындай жағымды әңгімелер ұнай ма? Жазылыңыз Жаңалықтардың жарқын жағы туралы ақпараттық бюллетень .