• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Zastosowania plazmy i nanotechnologii poprzez matematykę

    03.11.2013. 11:28
    opublikowane przez: Redakcja

    Plazma to jeden z czterech podstawowych stanów materii, obok stałego, ciekłego i gazowego. Wszechobecna pod względem postaci plazma jest zjonizowanym gazem na tyle pobudzonym energią, że elektrony posiadają zdolność odrywania się od jądra.

    Naukowcy dążą do rzucenia światła na ruch cząstek w fizyce plazmy oraz na dynamikę gazu rozrzedzonego - takiego, którego ciśnienie jest znacznie niższe od ciśnienia atmosferycznego. Jak to można osiągnąć? Dofinansowany ze środków unijnych zespół naukowców wypracował odpowiedź.

    Prof. Francis Filbet z Université Claude Bernard Lyon 1 we Francji postanowił zmierzyć się z tym problemem za pomocą analizy matematycznej i numerycznej. Otrzymał grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) dla początkujących naukowców o wartości niemal 500.000 EUR na realizację projektu NUSIKIMO (Symulacje numeryczne i analiza modeli kinetycznych - zastosowania fizyki plazmy i nanotechnologii). Prof. Filbet wraz ze swoim zespołem badawczym przeprowadził modelowanie niestacjonarnej plazmy kolizyjnej za pomocą superkomputerów, umieszczając w ten sposób reżymy i niestabilności niejako pod mikroskopem.

    Jednym z wyzwań, któremu naukowcy stawili czoła było przybliżenie modeli kinetycznych i opracowanie nowatorskich technik, które umożliwiłyby analizę numeryczną w teorii kinetycznej.

    W tym celu zespół pracował nad adaptacją uśrednionych lematów (dowiedzionych twierdzeń wykorzystywanych do uzyskiwania dowodu na inne twierdzenia) w celu zbadania równań kinetycznych, w tym równania Boltzmanna. Opracowane w 1872 r., siedmiowymiarowe równanie jest stosowane do modelowania zachowań gazów, ale rozwiązanie go okazało się problematyczne, gdyż możliwości numeryczne nie oddają powiązanych złożoności.

    Zespół projektu NUSIKIMO bada także asymptotyczne schematy zachowujące, które można opisać jako produktywne procedury do rozwiązywania "wyjątkowo zaburzonych problemów" - takich, w których charakter problemu podlega nieregularnym zmianom.

    Tego typu problemy zawierają małe parametry, których nie można przybliżyć poprzez ustawienie wartości parametru na zero. Dla porównania, przybliżenie problemów regularnych zaburzeń można uzyskać po ustawieniu małych parametrów na zero.

    Asymptotyczne schematy zachowujące zostały opracowane, aby pomóc naukowcom radzić sobie z wyjątkowo zaburzonymi problemami. Dotyczy to w szczególności przypadku, kiedy zajmują się modelami kinetycznymi w środowisku rozpraszającym.

    Prof. Filbet wraz z zespołem opracowuje metodę pozwalającą kontrolować wytwarzanie entropii numerycznej (klasyczna termodynamika). Zdolność sprawowania kontroli nad wytwarzaniem entropii, która określa sprawność maszyn termicznych, to istotna cecha analizy stabilności - oceny, która pomaga zrozumieć, co dzieje się, kiedy zostaje ona zaburzona. Naukowcy są przekonani, że do równań nieliniowych można zatem zastosować strategię opartą na asymptotycznych schematach zachowujących.

    Zastosowanie tych równań do fizyki plazmy to jeden z celów projektu NUSIKIMO. Zespół przeprowadza ewaluację transportu energii i stara się ustalić skuteczność ogrzewania plazmy. Naukowcy analizują także działania niezbędne do zapewnienia warunków fuzji poprzez interakcję intensywnych, krótkich impulsów laserowych i schematów, takich jak inercyjne utrzymanie plazmy czy szybki zapłon.

    Kolejnym celem jest zastosowanie równań do systemów mikro-elektro-mechanicznych (MEMS). Prof. Filbet wraz z zespołem opracowuje teoretyczne i numeryczne metody badania gazowych i płynnych przepływów w mikrourządzeniach. Kluczowe znacznie w tym przypadku ma opracowanie metod numerycznych. Jak twierdzą naukowcy: zastosowanie metod numerycznych, a nie analitycznych, umożliwia modelowanie trójwymiarowych geometrii przepływów w konfiguracjach MEMS.

    Zakończenie projektu zaplanowano na grudzień 2013 r.
    Za: CORDIS


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Polywell ("wielostudnia") jest pomysłem na uwięzienie plazmy, który łączy elementy jej magnetycznego i inercyjnego elektrostatycznego uwięzienia, z ostatecznym celem uzyskania energii z reakcji kontrolowanej syntezy termojądrowej. Skurcz zeta jest rodzajem skurczu plazmy, układem, w którym plazma poddana działaniu prądu elektrycznego deformuje się i kurczy pod wpływem własnego pola magnetycznego. Z początku zjawisko określano po prostu mianem skurczu plazmy lub skurczu Bennetta, ale wprowadzenie pojęcia skurczu teta spowodowało potrzebę doprecyzowania. Liczba Alfvéna, liczba Macha magnetyczna – w dynamice plazmy bezwymiarowy parametr równy stosunkowi prędkości makroskopowej do prędkości Alfvéna plazmy.

    ALICE (Adiabatic Low-Energy Injection and Capture Experiment) – urządzenie do wytwarzania plazmy działające w latach 60. XX wieku w amerykańskim Lawrence Radiation Laboratory (obecnie Lawrence Livermore National Laboratory). Badano nim możliwość tworzenia i podtrzymywania plazmy poprzez iniekcję wiązki neutralnej w pułapkę magnetyczną.[1] Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana – instytut naukowy istniejący w latach 1982 - 2011 zajmujący się badaniami z dziedziny fizyki subatomowej (fizyka cząstek elementarnych i fizyka jądrowa, fizyka plazmy gorącej, itp.) oraz stosowaniem metod fizyki jądrowej i produkcją odpowiednich urządzeń dla rozmaitych gałęzi nauki i gospodarki, w tym zwłaszcza medycyny. Po włączeniu w jego skład Instytutu Energii Atomowej POLATOM nadano mu nazwę Narodowe Centrum Badań Jądrowych.

    Diwertor – urządzenie do oczyszczania plazmy z domieszek stanowiące zwykle część tokamaków. Składa się z kilku soczewek magnetycznych o przeciwsobnych polach wychwytujących niepożądane jony. Do wychwytu do chodzi na krawędzi sznura plazmy, a przechwycone jony są odprowadzane na zewnątrz urządzenia. Inercyjne uwięzienie elektrostatyczne plazmy (skrót ang. IEC) to koncepcja polegająca na uwięzieniu plazmy przy użyciu pola elektrostatycznego. Pole to przyspiesza naładowane cząstki (jony albo elektrony) promieniście do wewnątrz, zwykle w geometrii sferycznej, ale niekiedy w cylindrycznej. Jony mogą być więzione przy użyciu IEC aby uzyskać kontrolowaną syntezę termojądrową w fuzorach i reaktorach typu polywell.

    Silnik plazmowy - zwany także magneto-plazmowym, silnik odrzutowy, w którym substancją roboczą jest plazma o wysokim stopniu jonizacji. W silniku plazmowym stosowane jest elektromagnetyczne przyspieszanie plazmy, co umożliwia uzyskanie znacznie większej siły ciągu niż w wypadku silników konwencjonalnych przy takim samym zużyciu paliwa. Źródłem energii, potrzebnej do wytworzenia i ogrzania plazmy, mogą być reakcje jądrowe zachodzące w reaktorze lub elektryczne źródła energii. Ogrzana plazma zostaje przyspieszona i wyrzucona przez specjalną dyszę. Silniki mają być wykorzystywane w rakietach i promach kosmicznych. Obecnie trwają testy, pierwszy lot z użyciem tego silnika miał się odbyć w 2011 roku z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Mają pozwolić na uzyskiwanie prędkości kilkuset tysięcy km/h, dzięki czemu lot na Marsa trwał będzie tylko 39 dni. Alfa — radzieckie urządzenie toroidalne do badania plazmy, zbudowane w Leningradzie w latach 60. XX wieku przez Instytut Badawczy Przyrządów Elektrofizycznych i Leningradzki Insytut Fizyki i Techniki. Uzyskiwano w niej plazmę o gęstości do 10 cząstek/cm³.

    Metoda MTM-1 jest metodą podstawową analizy ruchów elementarnych, która powstała jako pierwsza z metod MTM. Celem zastosowania tej metody jest modelowanie każdego manualnego przebiegu pracy za pomocą koniecznych ruchów podstawowych. Każdemu ruchowi podstawowemu przyporządkowana jest, w zależności od wielkości wpływających, wartość czasu normatywnego. MTM-1 jest systemem stosowanym w produkcji masowej i wielkoseryjnej, w pracach typowo rutynowych, gdzie o oszczędności czasowej decydują już ułamki sekund. Metoda MTM-1 należy do systemu bloków procesowych MTM. Wykorzystanie tej metody analizy ruchów elementarnych wspiera zastosowanie zasady ekonomiki ruchów elementarnych.

    Ciśnienie magnetyczne – energia zgromadzona w polu magnetycznym przeciwdziałająca zmniejszeniu objętości plazmy, czyli wywołująca w plazmie efekt identyczny do ciśnienia wewnętrznego. Wielkość tą wprowadzono przez analogię do fizycznego ciśnienia, jakie wywiera gaz w wyniku zgromadzonej w jego cząstkach energii kinetycznej.

    W fizyce plazmon stanowi kwant oscylacji plazmy. Plazmon jest kwazicząstką wynikającą z kwantowania oscylacji plazmy tak samo jak fotony i fononykwantami odpowiednio elektromagnetycznych i mechanicznych drgań (chociaż foton jest cząstką elementarną, a nie kwazicząstką). Tak więc plazmony są wspólnymi oscylacjami gęstości gazu swobodnych elektronów, na przykład przy częstościach optycznych. Plazmony mogą oddziaływać z fotonami tworząc inną kwazicząstkę zwaną polarytonem. Natrysk plazmowy – metoda pokrywania materiałów (najczęściej powierzchni metali) warstwami o różnorakich właściwościach wykorzystującą wysoką temperaturę strumienia plazmy niskotemperaturowej.

    Hannes Olof Gösta Alfvén (ur. 30 maja 1908 w Norrköping, zm. 2 kwietnia 1995 w Djursholm) – fizyk i astrofizyk szwedzki, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1970 za badania w zakresie magnetohydrodynamiki i ich zastosowanie do fizyki plazmy. W analizie numerycznej wzory Newtona-Cotesa są zbiorem metod numerycznych całkowania, zwanego również kwadraturą. Nazwa pochodzi od Isaaca Newtona i Rogera Cotesa.

    Dodano: 03.11.2013. 11:28  


    Najnowsze