اخبار – اختلال انفجاری ناشی از یک جت مافوق صوت را تصور کنید. چنین موج ضربه ای زمانی رخ می دهد که ذرات زیر اتمی معروف به “باد خورشیدی” از خورشید می گریزند و به میدان مغناطیسی زمین برخورد می کنند. اکنون دانشمندان از یک تکنیک جدید توسعه یافته برای بهبود پیش بینی زمان و شدت بادهای خورشیدی استفاده کرده اند که گاهی اوقات ماهواره های مخابراتی را از بین می برند و به شبکه های برق آسیب می رسانند.
تیم تحقیقاتی – به سرپرستی جیمز جونو، فیزیکدان کارکنان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) – از چیزی که به عنوان “همبستگی میدان-ذره” (FPC) شناخته می شود، استفاده کردند تا جزئیات شوک را بررسی کنند. امواج ساخته شده از پلاسما، حالت گرم و باردار ماده که 99 درصد از جهان مرئی را تشکیل می دهد، می تواند تکه هایی از پلاسما را در فضای بیرونی گرم کند.
FPC الگوریتمی است که داده های تولید شده توسط فضاپیماها یا رایانه ها را می گیرد و تعیین می کند که چگونه انرژی میدان های مغناطیسی و ذرات متحرک پلاسما به جلو و عقب تغییر می کند. این فرآیند اطلاعات دقیقی در مورد موقعیت و سرعت ذرات به هنگام وقوع تغییرات می دهد.
جیمز جونو، فیزیکدان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا (DOE) و نویسنده اصلی گفت: «اگرچه بسیاری از چیزهایی که ما پیدا کردیم قبلاً به خوبی شناخته شده بود، انتقال حرارت قبلاً هرگز به این روش مورد مطالعه قرار نگرفته بود. از یک کاغذ گزارش نتایج در مجله Astrophysical. این واقعیت که این تکنیک بسیار خوب کار می کند به ما نشان می دهد که راه های جدیدی برای بررسی مشکلات قدیمی وجود دارد.
دانشمندان PPPL پلاسما را مطالعه می‌کنند، زیرا واکنش‌های همجوشی را در دستگاه‌های دونات‌شکل معروف به توکاماک و دستگاه‌های پیچ‌خورده معروف به ستاره‌گردان تحریک می‌کند. پلاسما سوپ اتم است هسته هایا یون ها، الکترون ها و اتم های خنثی که با هم اجازه می دهند جریان الکتریکی جریان یابد. این جریان به پلاسما اجازه می دهد تا به میدان های مغناطیسی پاسخ دهد، که دانشمندان از آن برای محدود کردن پلاسما در دستگاه های همجوشی استفاده می کنند. محققان در تلاشند تا از همجوشی که خورشید و ستارگان را نیرو می دهد برای تولید برق بدون تولید گازهای گلخانه ای و زباله های رادیواکتیو با عمر طولانی استفاده کنند.
تکنیک FPC رفتار پلاسما را نشان می‌دهد که قبلاً مشاهده نشده است، از جمله اینکه کدام قسمت‌های پلاسما گرم می‌شوند و کدام فرآیندهای فیزیکی مسئول هستند. تکنیک‌های قدیمی‌تر فقط می‌توانند تصاویری کلی از مکان و نحوه گرم شدن پلاسما ارائه دهند.
جونو می‌گوید: «یکی از یافته‌های کلیدی ما این است که نواحی مختلف پلاسما می‌توانند به روش‌های مختلفی به یک موج شوک پاسخ دهند. ما اکنون تصویر کامل تری از آنچه در فعل و انفعالات موج شوک می گذرد داریم.”
جونو می‌گوید: «این بدان معناست که ما می‌توانیم انرژی یک ذره خاص را در یک موقعیت خاص تشخیص دهیم و یک موج ضربه‌ای انرژی را به ناحیه پلاسمایی خاصی منتقل می‌کند. روش‌های قبلی نمی‌توانند بین طیف گسترده‌ای از فرآیندهایی که رخ می‌دهند تمایز قائل شوند.»
جونو و همکارانش تکنیک FPC را که توسط گرگوری هاوس از دانشگاه آیووا توسعه داده شده بود، بر اساس داده های به دست آمده از یک برنامه شبیه سازی پلاسما معروف به Gkeyll (تلفظ رابرت لوئیس استیونسون دکتر جکیل) اجرا کردند. PPPL کدی را برای شبیه سازی مدار ذرات پلاسما در اطراف خطوط میدان مغناطیسی در لبه پلاسما توسعه داد. توکامک تاسیسات هسته ای دانشمندان به طور مداوم این برنامه را به روز می کنند تا قابلیت های آن را گسترش دهند.
عمار حکیم، معاون مدیر آزمایشگاه PPPL برای بخش علوم کامپیوتر، گفت: “Gkeyll دارای اجزای زیادی است که برای طیف وسیعی از مشکلات پلاسما، از پلاسماهای فضایی گرفته تا آزمایش‌های همجوشی آزمایشگاهی، کاربرد دارند.” و با سرمایه گذاری جدید بنیاد ملی علوم در برنامه زیرساخت سایبری برای نوآوری علمی پایدار، Gkeyll را تقویت می کنیم تا آن را به یک منبع ملی برای شبیه سازی پلاسما تبدیل کنیم.
دانشمندان می‌توانند از FPCها برای جمع‌آوری اطلاعات از مأموریت‌های فضایی فعلی مانند مأموریت چند مقیاسی مغناطیسی ناسا (MMS) استفاده کنند، که از چهار ماهواره در حال پرواز در منطقه‌ای از فضا که تحت تأثیر میدان مغناطیسی زمین است، استفاده می‌کند. کالین براون، محقق دانشگاه آیووا و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: ماموریت MMS فرصتی باورنکردنی برای مطالعه پلاسمای فضایی با استفاده از تکنیک FPC فراهم می کند. این امر توانایی ما را برای مطالعه ساختار سه بعدی انتقال انرژی بسیار بهبود می بخشد.
علاوه بر این، جونو گفت: «استفاده از یک ابر رایانه برای بازتولید موج شوک پلاسما یک چیز است. اما تکنیک FPC در واقع می تواند به شما کمک کند چیزهای جدیدی در مورد جهان بیاموزید. و این هیجان انگیز است.»
این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم، ناسا و DOE (تحقیق و توسعه هدایت‌شده آزمایشگاهی) پشتیبانی شد. دانشمندان کد Gkeyll را در ابررایانه Frontera در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس اجرا کردند. این تیم شامل دانشمندانی از دانشگاه آیووا، دانشگاه هاوایی، دانشگاه پرینستون، مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا، دانشگاه شیکاگو و دانشگاه آریزونا بود.
—–
PPPL، در پردیس Forrestal دانشگاه پرینستون در Plainsboro، نیوجرسی، به ایجاد دانش جدید در مورد فیزیک پلاسما – گازهای فوق داغ و باردار – و توسعه راه حل های عملی برای ایجاد انرژی از همجوشی اختصاص دارد. این آزمایشگاه توسط دفتر علوم دانشگاه در وزارت انرژی ایالات متحده مدیریت می شود که بزرگترین حامی تحقیقات علوم فیزیکی پایه در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/science
