O výbuchu zvuku při ultrazvukové fúzi
Výbuch zvuku
20. srpna 2005
Víte, jak letí letadlo, doufám. Pokud ne, přečtěte si "Kdybychom mohli létat?", jinak "Aspirisouffle". Vzniká podtlak na horní straně křídla, tzv. "extrados".
Křídlo letadla
Když už jsme u toho, jaká je řádová velikost podtlaku na povrchu tohoto křídla? Zvolme si malé turistické letadlo, jednomístné. Předpokládejme, že jeho nosná hmotnost je 300 kg a rozloha křídla 18 metrů čtverečních. To dává zatížení křídla 16 kg na metr čtvereční, tedy 1,6 gramu na centimetr čtvereční. Atmosférický tlak na hladině moře je přibližně 1000 gramů na centimetr čtvereční, takže rozdíl tlaku mezi extradose a intradose křídla je řádově několik milibarů. To vysvětluje, proč lze letět i s plachtovými letadly a proč není doporučeno šlapat na křídlo mimo příslušná místa – jinak byste skrz něj prošli.
Co se děje ve vodě? Je tisíckrát hustší než vzduch. Při stejné rychlosti můžeme tedy „letět ve vodě“ s mnohem menšími „křídly“. Nazývají se „foils“.
Křídla a foils
Pokud se nám podaří udržet se na takto malé ploše, je to proto, že změny tlaku jsou mnohem výraznější. Představme si, že tyto foils pohybují velmi blízko hladiny kapaliny, tedy v prostředí, kde je okolní tlak přibližně jeden kilogram na centimetr čtvereční. Loď napravo se bude udržovat díky mnohem větším rozdílům tlaku než ty, které měříme kolem profilu křídla letadla. Proto jsou foils neplachtové, ale z pevného ocelového materiálu.
Proč je podtlak na extradosu křídla? Ve vodě to lépe pochopíme. Hmotný proud dopadá na profil v „bodě zastavení“, poté se znovu urychlí. Při tom získává přetlak a zároveň působí odstředivá síla.
Co se děje, když kapalina podléhá podtlaku? To můžeme provést pomocí válce a pístu. Pokud vytáhneme píst tak, že tlak v kapalině klesne pod hodnotu nasycené páry při dané teplotě, vzniknou bubliny (malé). Není to nic společného s bublinkami v šampaňském, které vyjadřují přítomnost rozpouštěného plynu. Tyto bubliny jsou plné vodní páry. Jde o jev známý jako kavitační jev.
Kavitační jev
Zde je fotografie tohoto jevu, vyvolaného v válci.
Bubliny kavitačního jevu
V roce 1917 Britská admirála pozvala fyzika Williama Strutta, známého jako Lord Raleigh, aby jí vysvětlil zvláštní problém. Vrtule z bronzu lodí královského vojska byly všechny poškozené, pokryté malými dírami, přestože byly téměř nové. Admirálové se ptali, zda moře může obsahovat parazity schopné napadat kov vrtulí. Níže je fotografie, o něco novější, zobrazující škody, které může kavitační jev způsobit na lopatkách odstředivého čerpadla.
Škody způsobené kavitačním jevem na odstředivém čerpadle. Docela dojímavé, že?
Zde je detailní pohled ukazující „škrábance“ pozorované v kovu.
Škody způsobené kavitačním jevem na bronzové lopatce.
Na rozdíl od původního předstihu britských admirálů nešlo o neznámou druh vodní vosy. Lord Raleigh provedl několik výpočtů a poskytl vysvětlení. Na lopatkách jejich vrtulí byly podtlaky tak silné, že tlak místně klesl pod nasycený tlak páry ve vodě. Voda tedy místně začala vařit. Důležitá poznámka: Jaký je nasycený tlak páry ve vodě při běžné teplotě?
Odpověď: několik pascalů, tedy jedna setina milibaru. Podtlaky vytvářené kolem lopatek v hydraulice jsou velmi intenzivní. Proto dokážeme pohánět malý motor s tak zanedbatelně malou vrtulí. Zde je rotující lopatka vrtule. Šipka ukazuje přítomnost bublin vodní páry odpovídajících kavitačnímu jevu.
Kavitační jev u hrany útoku rotující lopatky vrtule.
Vidíme tenký proužek bublin vodní páry, které vznikají na hraně lopatky. Jejich původ je však jiný. Je způsoben okrajovým vírem a připomíná kondenzační stopy tvořené na koncích křídel letadel. Tento jev zde nebudeme dále diskutovat. Zaměřme se na vývoj tlaku podél extradosu lopatky vrtule:
Vývoj tlaku podél extradosu lopatky vrtule
Křivka je pouze schematická. Vidíme, že podél tětivy profilu klesá tlak rychle. Jakmile klesne pod nasycený tlak páry kapaliny (vody), začnou se objevovat bubliny, které se zvětšují, jak se tlak dále snižuje. I když následující část profilu zůstává v podtlaku vzhledem k okolnímu tlaku, tlak nakonec stoupne a znovu překročí nasycený tlak páry ve vodě. Pak se vodní pára začíná ztrácet, což vidíme na fotografii.
Všechno víme, že v hydromechanice jevy rozšíření se neodehrávají stejně jako jevy komprese (nebo rekomprese). Když tlak začne stoupat, stěna bubliny se chová jako kulový píst působící na plyn, konkurenčně s vodní párou. Pokud je rychlost imploze bubliny vyšší než rychlost zvuku v hmotě páry (a je to tak), vznikne kulová rázová vlna, která se soustředí do geometrického středu objektu a přenese s sebou velkou energii, dostatečnou k vytvoření těchto „škrábanců“ v kovu lopatky a nakonec k poškození podobnému tomu, které jsme viděli na lopatkách čerpadla výše.
Vysvětlení škod způsobených kavitačním jevem.
Známe tzv. systémy „s dutou náloží“. V takovém případě se exploduje výbušnina na celé ploše kuželové stěny (pomocí výbušného materiálu s velmi vysokou rychlostí šíření). Povrch kužele pak vyzařuje velmi silnou rázovou vlnu, jejíž energie se soustředí podél osy systému. Vznikne tak „špička“, schopná proniknout do ocelového pláště o tloušťce odpovídající průměru kužele (ale špička vytvoří díru mnohem menšího průměru). Imploze bubliny připomíná soustředění energie přenášené rázovou vlnou. Jak mi upozornil Christophe Tardy, pokud bychom navrhli duté nálože s koulovými dutinami místo kuželovými, mohli bychom soustředit velkou energii do středu této koule, do ohniska. Přesně to se děje při kavitačním jevu.
Jak jsme řekli, kavitační jev byl objeven v roce 1917. V roce 1930 bylo možné vytvářet ultrazvuk dostatečně intenzivně. V roce 1934 na univerzitě v Kolíně se objevil nový jev, který zásadně zaskočil fyziky. Když byla kapalina, například voda, vystavena ultrazvuku, vydávala ... světlo. Tento jev dostal název sonoluminiscence.
V prvním okamžiku nikdo nechápal, jaký je příčinný důvod tohoto jevu. Experimentálně je to jednoduché – můžete si dokonce objednat experimentální sadu:
Americká sada pro experimenty se sonoluminiscencí (http://www.sonoluminescence.com)
Zde je fotografie výboje světla:
Efekty sonoluminiscence
Bubliny se tvoří, rozšiřují a stahují v rytmu vysílání ultrazvuku. (Zde při 28 kilohertz). Jejich velikost je řádově mikron. Jev je špatně pochopen a měření jsou obtížná. Autory nejsou všichni shodni ohledně maximálních hodnot tlaku a teploty dosažených ve středu bubliny na konci komprese, ale v každém případě se předpokládá, že teploty překračují deset tisíc stupňů. To vysvětluje výboj světla. Při takových teplotách jsou molekuly rozloženy a dokonce ionizovány. Předpokládá se, že sonoluminiscence doprovází vznik mikroplazmatu. Posledních několik let bylo možné dosáhnout sonoluminiscence na jediné bublině, uvězněné rezonancí akustickou. Výboje jsou velmi krátké (řádově desítky pikosekund). Odhad teploty je založen na vlnové délce vyzařovaného záření, které odpovídá energii jednoho elektronvoltu. Protože záření může stoupat až do ultrafialové oblasti, předpokládá se, že teploty dosažené překračují deset tisíc stupňů (1 eV) a někteří dokonce tvrdí, že mohou být mnohem vyšší (až milion stupňů nebo více). Zde je „kumulativní“ efekt sonoluminiscence (kdy se mikrobubliny objevují kdekoli):
Sonoluminiscence
Mnoho lidí dnes zvažuje, zda by pomocí kolapsu mikrobublin nelze dosáhnout podmínek, které by vedly k termojaderné fúzi na konci komprese. Našli jsme článek z magazínu Scientific American, který představuje názor skeptiků. Já osobně si myslím, že jde o otevřený problém. Fakta jsou jasná. Kavitační jev a sonoluminiscence ukazují, že stlačení bublin umožňuje dosáhnout neuvěřitelně vysokých tlaků a teplot. Číslo srpna 2005 na webu Scientific American obsahuje „odpovědi odborníků“. Otázka položená čtenářem zněla:
- Bubliny vytvořené ultrazvukem ve vodě (sonoluminiscence) dosahují extrémně vysokých teplot a tlaků na krátkou dobu. Mohly by tyto podmínky zahájit nebo usnadnit jadernou fúzi, jak navrhl nedávný film „Reakce v řetězci“?
- Bubliny vytvořené ultrazvukem ve vodě (sonoluminiscence) dosahují extrémně vysokých teplot a tlaků na krátkou dobu. Mohly by tyto podmínky zahájit nebo usnadnit jadernou fúzi, jak navrhl nedávný film „Reakce v řetězci“?
Poznámka: Je pravda, že když poprvé explodovala vodní vodíková bomba, vědci se ptali, zda by to nemohlo vyvolat řetězovou reakci ve všech oceánech.
Zde je odpověď odborníka:
http://www.sciam.com/askexpert_question.cfm?articleID=000950E3-6815-1C71-9EB7809EC588F2D7&pageNumber=3&catID=3
- Když se tlakové pole obrátí, stane se tlak větším než nasycený tlak páry a pára se rychle kondenzuje. Celá energie dodaná bublině během její expanze je nyní k dispozici pro koncentraci v malé oblasti, jak bublina trpí kolapsem. Tento jev se nazývá akustická kavitace. Tento implozní kolaps je ovládán silami setrvačnosti kapaliny kolem bubliny. Malé množství zbytkové páry v bublině se na tomto procesu podílí. Takže hustota energie může být vyšší než v původním prostředí. To vysvětluje výboj elektromagnetické energie s energií řádově jednoho elektronvoltu (10 000 °C). Tento jev se nazývá sonoluminiscence. Tato teplota je dostatečně vysoká, aby vyvolala chemické reakce. Časopis vydal článek o chemických účincích ultrazvuku: („The Chemical Effects of Ultrasound“, Kenneth S. Suslick, Scientific American, svazek 260, číslo 2, strany 80–86 [nebo 62–68 pro neamerické čtenáře]; únor 1989). Pokud chceme zvážit jaderné procesy, musíme zvážit měřítka odpovídající rozměrům jader a energie typicky řádově megaelektronvoltu (MeV).
Rychlá poznámka o ekvivalenci mezi energií měřenou v elektronvoltech, absolutní teplotou a vlnovou délkou. Píšeme:
e V = k T = h (nu)
e = 1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb (jednotková náboj) V = měření energie v „elektronvoltech“ k = 1,38 × 10⁻²³ (Boltzmannova konstanta) T = absolutní teplota h = Planckova konstanta (6,63 × 10⁻³⁴) nu (řecké písmeno) = frekvence = c / lambda. lambda: vlnová délka, v metrech. c = rychlost světla, v metrech za sekundu: 3 × 10⁸ m/s
Jeden elektronvolt = (e/k) °K = 11 594 °K
Vlnová délka příslušná energii jednoho elektronvoltu je: lambda = (h c)/e = 1,24 × 10⁻⁶ metrů = jeden mikron.
Pokud dochází k vydání UV záření, to naznačuje, že maximální teplota dosažená při sonofúzi může dosáhnout až 15 000 K. Ale nebudeme se bavit o několika tisících stupňů.
Odborník okamžitě odpovídá na otázku čtenáře, že podle jeho názoru je vyloučeno, že sonoluminiscence může vyvolat fúzi, a chybí šest řádů velikosti (poměr mezi elektronvolt: deset tisíc stupňů a MeV: deset milionů stupňů, tedy milionkrát více). Přidává:
- Byla zaznamenána malá naděje, když bylo zjištěno, že kolaps bubliny může být doprovázen vznikem rázové vlny, která vzniká ve vzduchu uvnitř bubliny. Tato rázová vlna může komprimovat tento plyn a William C. Moss spolu s jeho kolegy z Lawrence Livermore National Laboratory získali teoretické odhady, že dosažené hodnoty by mohly přiblížit požadované podmínky pro fúzi. Putterman a jeho kolegové z Kalifornské univerzity změřili rychlost hranice bubliny a ukázali, že je řádově čtyři až pětkrát vyšší než rychlost zvuku ve vodní páře uvnitř bubliny. Tyto výsledky se zdají být velmi nadějné. Andrea Prosperetti ve své předchozí „odpovědi odborníka“ upřesnil, že pro účinnou kompresi je třeba, aby rázová vlna zachovala kulovou symetrii. Avšak dodal, že si toho nevěří.
Poznámka: Názor vyjádřen bez zdůvodnění. Viz dále.
Odborník z Scientific American pokračuje:
- Tom Matula a jeho kolegové z univerzity v Washingtonu pozorovali rázovou vlnu po kolapsu bubliny, která může být zpětným efektem kolapsu rázové vlny.
Konec komentáře, který se zdá odkazovat na film více sci-fi než na vědu, není příliš zajímavý. Ale mělo by být poznamenáno, že je zde zmíněna rázová vlna. Toto je ona, a ne pohyb hmoty kapaliny, která je schopná vytvořit dostatečně silné soustředění energie.
Zajímavé je také, že odborník (a čtenář) se odkazují pouze na experimenty se sonoluminiscencí prováděné ve vodě. Můžeme to však provést s jakýmkoli kapalinou. Číslo srpna Science a Vie zmíní experimenty provedené v acetonu. I když jsem v chemii naprosto nezkušený (přiznávám: na chemii neexistuje Lanturlu, za kterou žádám pomoc čtenářů), zdá se mi, že aceton je více těkavý než voda. Jeho hustota je podobná vodě (0,79 místo 1). Píše se, že nasycený tlak páry acetonu je 178 mm rtuti při 20 °C, zatímco u vody je to několik setin milimetru rtuti. Obě jsou tedy v poměru řádově deset tisíc. Hervé Lemonnier z laboratoře instrumentace a experimentu (LIEX) CEA v Grenoble říká: „Pro mnohé by filie sonofúze byla zázrak nebo podvod.“
Tým Rusi Taleyarkana (z Purdue, Indiana) a Laheya (Rensselaer Institute v Troyu, blízko New Yorku) tvrdí, že dosáhl teplot deseti milionů stupňů při experimentech prováděných v Oak Ridge, Tennessee. Publikace z roku 2002 vyvolala v té době velký rozruch. Ale dva roky později američtí vědci použili aceton dopovaný deuteriem. Zjistili, že bubliny se rozšiřují o faktor 100 000 místo faktoru 100 ve vodě. Všechno to naznačuje, že na konci imploze by tyto systémy měly vést k tlakům řádově gigabarů, schopným dostatečně přiblížit jádra k fúzi. Podle těchto vědců experimenty ukázaly emisi neutronů o energii 2,5 MeV a ... tritia!
Vědci jsou skeptičtí vůči takovému výsledku. V Scientific American se píše, že pro úspěšný průběh tohoto experimentu by vědci museli zajistit pravidelné soustředění kulové rázové vlny. A přidávají: „To je nemožné, protože se to nepodařilo při laserové fúzi.“
Skutečně existuje příbuzenský vztah mezi těmito dvěma jevy. Při laserové fúzi se zasvítí vnější povrch vrstvy nazývané „pusher“ („působící“), obklopující cíl tvořený směsí pro fúzi (deuterium a tritium).
Laserová fúze s osvětlením a pravidelným rozšířením pusheru.
Rozšíření pusheru způsobuje vznik dvou rázových vln: ven a dovnitř. To je zároveň analogie k tomu, co se děje při supernově, explozi hmotné hvězdy.
Já jsem byl prvním neameričanem, který tyto experimenty pozoroval v blízkosti v roce 1976 na Lawrence Livermore Laboratory. Švéd Alström byl spolu s teoretikem Nucholsm odpovědný za tento pokus o rozvoj laserové fúze. V té době byl nainstalován stůl „Janus“, vybavený dvěma laserovými systémy o výkonu jednoho terawattu. „Shiva“, která měla 24 laserů, byla právě stavěna vedle. Když jsem se vrátil do Francie a použil jsem slovo „terawatt“ (milion megawattů), nikdo mi nevěřil. Časopis Science et Vie (v té době řízený Philippe Cousinem), kterému jsem přinesl krásné barevné fotografie tohoto zařízení (skutečný senzace v té době), po konzultaci s „specialisty“ z CEA považoval můj článek za podvod a úplně ho přepsala francouzská vědecká novinářka Françoise Harroy-Mounin.
Můžeme se ptát, jak mohl francouzský astrofyzik pracující na observatoři v Marseille takto proniknout do jednoho z svatyní americké vědy té doby. Příběh stojí za to, aby byl vyprávěn. Protože nebudu jmenovat nikoho a někteří zainteresovaní už dávno zemřeli, nebude to mít důsledky. Na počátku, v šedesátých letech, znali jen lasery s plyny (původně helium-neonové lasery, poté výkonné CO2 lasery). Alström byl první, kdo pochopil, že pro zvýšení výkonu laserů je třeba použít materiály, ve kterých „pumpovaná“ energie (pomocí optického „pumpování“) se uvolňuje velmi rychle. Vybral proto pevné lasery látky, jako je sklo dopované neodymem (řídký zemina). Pumpování bylo dosaženo osvětlením obrovských bloků (až o průměru jednoho metru) baterií lamp s kryptony nebo xenonem. Přítomnost neodymu dává sklu krásnou světle růžovou barvu. Ale Alström měl obavy, a to správně, že mu američtí kolegové předčí nápad. Proto navrhl jít rozvíjet to tajněji ve Francii a skončil v laboratoři, kde jsem tehdy pracoval, jejíž jméno si nechám v tajnosti. Řekl jsem Alströmovi:
- Bohatý můj příteli. Když jsi opustil Spojené státy a přišel sem, padl jsi z Charybdu do Skylla. Náš milý šéf je zloděj na silnici s již plným rejstříkem. Vypadá jako muž, který se nebojí. Ale nedůvěřuj mu. Pod jeho přátelskými a nepřísnými zevními projevy je bezohledný zločinec bez jakéhokoli svědomí.
Alström si to nechal vědět. Rozvíjel před očima svého francouzského šéfa lasery s plyny a pečlivě skrýval pokusy s neodymovými lasery. Pravděpodobně použil nějaký podvod, aby vysvětlil nákup tohoto materiálu dováženého z USA. Ten druhý se o tom nestaral. Ve skutečnosti nejsem si jist, že v té době našeho obřího šéfa vůbec porozuměl fungování laseru. Když američan odjel zpět do USA, pravá povaha prací, které provedl ve Francii, a které publikoval po svém návratu, se rozplynula. Pamatuji si svého šéfa, který byl vypitý vzteky, chodil po chodbách laboratoře:
- Ten Alström je zloděj!
Zloděj, zloděj a půl...
Nahoře uvedený obrázek znázorňuje to, co chtěli provést. Ve skutečnosti se ukázalo nemožné (a to od té doby 40 let) osvětlit pusher stejným způsobem ve všech cílených bodech. Problém neleží v zaměření paprsku, ale v dokonalém synchronizovaném dodávání energie. Ve skutečnosti se dostalo k tomuto:
Nerovnoměrné rozšíření pusheru
Pak se stane to, co se děje, když se pokoušíte stlačit těsto mezi dvěma rukama: uteče mezi prsty.
Pro představu chování rázové vlny použijeme hydraulickou analogii. Představme si místnost s vodou, která má dobře pravidelný konický dno. Okolo něj umístíme přepážku, která umožní vytvořit rozdíl hladiny (tlaku). Pak přepážku rychle odstraníme.
Zařízení pro tvorbu centripetální rázové vlny
Vznikne kapalný přední hrana, která je analogií rázové vlny. Můžete si doma vytvořit analogii stacionární kruhové rázové vlny jednoduše přetékáním vody do vaší myčky:
Kruhová vlna se tvoří ve dřezu
Vraťme se k naší soustředění kulové rázové vlny, velmi „tvrdé“ (nazývají se pak „blast waves“). Tam je vlna pohyblivá a pohybuje se směrem k geometrickému středu systému.
Dobrá soustředění centripetální vlny (hydraulická analogie)
Opustme dřez a vraťme se k navrhovanému experimentu. Konické dno bude zvyšovat nárůst přední hrany vlny. Pamatujte na „efekt tsunami“. Pokud byla vlna vytvořena dobře kruhově na začátku, všechno půjde dobře.
Ale při laserové fúzi se všechno velmi špatně vyvíjí. Některé části „pusheru“ jsou ohřívány více než jiné a dostaneme to, co ukazovala předchozí obrázek. Můžeme to simulovat hydraulicky tak, že za kruhovou přepážku umístíme nádrže s různou výškou (můžeme také umístit přepážky, které nejsou ve stejné vzdálenosti od geometrického středu, což je ekvivalentní a simuluje nedostatečnou synchronizaci osvětlení).
Špatná soustředění centripetální rázové vlny (hydraulická simulace)
Přesně to se stane při experimentu „Mégajoule“, o kterém nám už léta opakují, a který se staví za miliardy eur na Barp, blízko Bordeaux. Pravidelně vědecké časopisy pod vládním tlakem zpívají hezké písně, jako že „se chystáme znovu vytvořit slunce v laboratoři“. Příklad: článek Jean-François Augereau (Le Monde, září 2003), nazývaný „Oheň pekla v zlaté místnosti“.
Když už jsme u toho, proč nezahřát přímo bankovky 50 eur?
Oheň pekla, moje kolená...
Malá šance, že CNRS protestuje. Dostal jen několik kousků, pár pracovních míst pro své vědce.
Mégajoule nebude fungovat. Je to jedno. Je to jen „projekt překryvu“, určený k zastínění francouzských skrytých podzemních jaderných experimentů v těžbách. Musíte být vědecký novinář, abyste věřil, že od roku 1996 (od devíti let v době psaní těchto řádků) Francie neprovedla žádné jaderné testy. Už jsem se snažil upozornit lidi na tuto otázku. Dostal jsem za to i soudní proces. Francouzi si sami poradí se svými politiky a vojenskými inženýry, zcela zodpovědnými, když bude čas zaplatit ekologickou účtovku, jejíž cena bude neznámá (vývoz odpadů z výbuchů, přes průtok podzemní vody po rozpouštění jejich vápencového zajetí, jako v dolu Gardanne, zaplaveném krátce po tom, co jsem zvedl tuto záležitost, aby se zabránilo jakékoli místnímu šetření).
Vraťme se k tématu sonofúze. Považuji přístup zajímavý, protože systém, ve kterém impuls je dán rekompresí okolního prostředí, se zdá být platný. Myslím si, že tato věc může vytvořit centripetální rázové vlny s kulovou symetrií (víme alespoň, že během první fáze: expanze, bublina má krásnou kulovou symetrii). Fyzikálně, pokud je vlna na začátku blízko kouli, zdá se mi, že zachová svou kulovost a může způsobit velmi výrazné komprese.
Začátek centripetální rázové vlny v kavitační bublině
Proto považuji argument „odborníka z Scientific American“ za neplatný. Tyto dva jevy jsou jen „příbuzné“. Sonofúze mi připadá jako cesta k prozkoumání, která je navíc velmi levná. Naopak u laserové fúze, nákladná: žádná šance. Od začátku má vlna tvar zrůstajícího bramboru.
Malá poznámka na okraj, pokud chcete provést malý experiment, který vám ukáže, jak se centripetální sférická vlna zvyšuje při konvergenci k geometrickému středu.
Sestavte kanál, jehož dno má tvar konické plochy. Použijte karton, který potěkáte, aby se nezvlhčil při kontaktu s vodou. Umístěte přepážku a naplňte celý systém vodou tak, aby byl rozdíl hladiny 5 mm. Když rychle odstraníte přepážku, vlna, ekvivalentní rázové vlně, se pohne směrem k vrcholu kužele a rychle se zvyšuje. Představte si, že necháte dostatek místa před přepážkou, aby „vlna rozšíření“ mohla volně běžet bez přílišného odrazu na dně vaší konické nádoby.
Hydraulická simulace imploze kulové rázové vlny
Jednoho dne se v Aljašce stalo tsunami, které se dostalo do fjordu. Výsledkem byla vlna o výšce několika set metrů. Stejný jev.
Pokud by se potvrdil jev sonofúze, kam bychom mohli s touto technikou dospět? Před několika lety se na mě obrátil alchymista. Tvrdil, že dokáže vytvořit zlato z cínu (v alchymii se tato technika nazývá spagyrie). Mluvil jsem o tom s přítelem Alainem D a dohodli jsme se na dohodě. Pokud by alchymista dokázal před námi provést tento zázrak, Alain mu zaplatil mikrovlnnou troubu, kterou by mohl použít pro pokračování svých výzkumů. Předepsali jsme experimentální protokol. My jsme měli získat suroviny (jednoduše cín a … vápno). Alain měl troubu, kterou jeho žena používala na dělání keramiky. Mělo být slitina cínu a vápna roztavena a pak rychle vhozena do … vody. Roztavená směs se pak proměnila do něčeho, co připomínalo popcorn. Jednou z tří manipulací byl velmi ostrý výstřel, který připomínal rázovou vlnu. Pak, ó překvapení, byl popcorn … zlatý.
Pomocí silného kyseliny (doporučuji dusičnou kyselinu) bylo možné objekt rozpustit. Když jsem hodil zlatý kousk do zkumavky, všechno se přeměnilo na kapalinu. Na dně zůstaly pouze jiskřivé částice. Analýza kyselinou královskou ukázala, že se jedná opravdu o zlato, i když v malém množství.
Zkušenost by měla být opakována. Někteří mi určitě řeknou, že vzhledem k malým množstvím (pravděpodobně mikrogramy) by toto zlato pravděpodobně bylo přítomno ve vzorcích stříbra a vápna (koupených u firmy, která dodává čisté suroviny pro laboratoře). Možné. Ať už je to tak nebo onak, zůstává vysvětlit, jak výbuch způsobí, že se zlato objeví na povrchu bublin našeho popcornu, což zůstává pěknou zkušeností.
Níže najdete to, co jsem před několika lety napsal ve formě příběhu. Nahraďte Peter Small za Jean-Pierre Petit, Morgan za Alain D a Caw za Albert Cau (ten měl někdy web. Někdo možná najde jeho stopy).
Stejně jako v „Roku kontaktu“:
*Jakákoliv podobnost s fiktivními postavami je čistě náhodná
Závěrem:
V tomto souboru jsme zmínili „odhad odborníka“, pocházející od odpovědného člena „prestižní“ americké revue Scientific American. Jak se ukázalo v naší analýze, tento odhad byl velmi povrchní. Navíc jdu ještě dál, jako odborník na plazmy (což jsem stále, i když jsem v roce 1986 opustil tento obor). Je velmi nebezpečné dělat závěry o hustých a dokonce hyperhustých prostředích. Viděli jsme, že v roce 1917 bylo velké překvapení zjistit, že jednoduché vodní bubliny mohou zničit bronzy výborně. V roce 1934 fyzici náhodně zjistili, že mohou dosáhnout teplot 15 000 °C vystavením vody ultrazvuku. Kdo nám řekne, že fúze není dosažitelná jednoduchými technikami? Existují však důkazy. Je to logické. Navíc jsou tyto výzkumy relativně levné.
Kromě toho je rázová vlna jev, který umístí prostředí do velmi výrazného stavu mimo rovnováhu (termodynamické). Tento typ jevu jsme náhodně objevili v šedesátých letech s velkým množstvím vědců, kteří prováděli podobné experimenty. V té době byly vytvářeny teploty plynů řádově deset tisíc stupňů za vlnou rázové vlny, která procházela „rázovou trubicí“ (shock tube). Přechod této rázové vlny se projevoval zvýšením tlaku z deseti milimetrů rtuti na hodnoty řádově atmosférické. Měřili jsme různými technikami, co se dělo za touto rázovou vlnou. Například měření hustoty bylo prováděno optickým způsobem, interferometrií, využívající skutečnost, že index lomu prostředí závisí přímo na jeho hustotě. Tento skok hustoty představoval podezření přechodu rázové vlny, která procházela trubicí rychlostí jednoho míle za sekundu.
Měřili jsme nárůst teploty odhadem tepelného toku na stěnu. Pro tento účel jsme na stěnu aplikovali tenkou kovovou vrstvu vakuovou výparou, jejíž elektrický odpor se měnil podle teploty. Její tenkost znamenala, že její tepelná setrvačnost mohla být považována za zanedbatelnou. Abychom byli překvapeni, nárůst teploty se projevil s prodlevou několika mikrosekund. Jelikož rázová vlna procházela trubicí rychlostí 1700 metrů za sekundu, to znamenalo, že nárůst teploty byl zaznamenán dvěma centimetry za vlnou. Abychom pochopili tuto zdánlivou nesmyslnost, byly potřeba některé znalosti z teorie plynů, což nebylo případem mého kolegy, kteří se věnoval jen diferenciálním rovnicím panů Naviera a Stockese.
Co je to rázová vlna? Je to vlna, která je směrovaná do určitého směru, „úder“ aplikovaný na molekuly nebo atomy. Tento úder může být způsoben atomy pevné látky (kousky z výbušniny, která exploduje) nebo náhlým pohybem kapaliny (stěna bubliny, která se vodu náhle smršťuje). Šíření rázové vlny vyjadřuje skutečnost, že tento „úder“ se šíří, postupně, molekula za molekulou. Je jednorozměrná, směrovaná do určitého směru.
V naší rázové trubici se tento úder přenášel na atomy (šlo o argon) ve směru osy trubice, ve směru rychlosti. Teplota v plynu je měřítkem rychlosti pohybu molekul, které jej tvoří. Striktně vzato, existuje teplota pro každou složku v směsi (a například plazma je směsí iontového plynu a „elektronového plynu“). Definice absolutní teploty složky i ve směsi více složek je dána vzorcem (to je definice):
kde k je Boltzmannova konstanta (1,38 10-23) a mi je hmotnost částice dané složky (atom, molekula nebo elektron). Kolize rychle vedou k vyrovnání teplot složek směsi, což odpovídá stavu termodynamické rovnováhy. Ale existuje ve vaší kuchyni prostředí, které je velmi mimo rovnováhu. Je to obsah vaší trubice s neonem, kde jsou ionty chladné (můžete se přesvědčit dotekem trubice), ale kde elektrony dosahují teplot 10-15 000 °C. Pokud chcete vědět více, podívejte se na „Pro několik ampér více“ v CD Lanturlu1. V roce 1966 jsem byl první na světě, kdo úspěšně spustil MHD generátor s dvěma teplotami (šest tisíc pro plyn, deset tisíc pro elektrony), tentokrát vysoké hustoty (tlak plynu: jeden bar), výsledek, který byl v roce 1967 prezentován na mezinárodním konferenci MHD v Varšavě a později umožnil jednomu z mých studentů, jehož jméno nebudu uvádět, aby si vytvořil velmi hezkou kariéru ve CNRS a využil tyto práce pro sebe po mé odchodu z Ústavu mechaniky tekutin v Marseille, kde si na tom udělal doktorskou práci, ale o které nikdy nevystavil publikaci pod svým vlastním jménem. Díky těmto pracím mu byl udělen cena Worthington, což mu umožnilo stát se ředitelem laboratoře aero-termiky v Meudonu, poté regionálním ředitelem CNRS v oblasti PACA, nakonec, což je stále, regionálním ředitelem v jižní části Île-de-France. To je jen pro signalizaci, že objevy některých mohou být prospěšné pro jiné. To je trochu účet, 40 let po tom, vím. Ale je dobré občas připomenout, jak funguje vědecké prostředí, a bohužel to stále platí.
Vraťme se k těmto nevyváženým stavům. Křivka nahoře odpovídá rozdělení známému jako Maxwell-Boltzmann a reprezentuje stav, ke kterému se plyn blíží pod vlivem kolizí.
Rázová vlna vytváří velmi výraznou anizotropii ve vzduchu, která se rozšiřuje na krátkou vzdálenost: několik „průměrných volných cest“. Žijeme v prostředí velmi mimo rovnováhu, které se nazývá galaxie a kde tekutina je plyn hvězd, nebo spíše směs „různých plynů hvězd“. „Plyn hvězd“ znamená tekutinu, jejíž atomy jsou ... hvězdy. Anizotropie je velmi výrazná (faktor 2 v poměrech průměrných rychlostí tepelného pohybu v směrech, kde jsou maximální a minimální). Je to přirozený stav ve hvězdném prostředí, které je nekolizní a proto nemůže konvergovat do stavu termodynamické rovnováhy kolizí. Kolize znamenají nejen setkání přímo mezi hvězdami, ale jednoduché křížení, kdy se dráhy vzájemně ovlivňují (angličané používají vhodnější slovo „encounter“: „setkání“). Tyto „setkání“ mezi hvězdami jsou tak vzácné, že je lze považovat za téměř neprojevené v naší galaxii po miliardách let. Kromě toho v shlucích, kde se rodí mladé hvězdy. Protože tyto interakce tendují k vytvoření „rozdělení rychlostí Maxwell-Boltzmann“, to přisuzuje hvězdám dostatečně vysoké rychlosti, aby překonaly rychlost uvolnění shluku. Takže tyto shluky s několika stovkami hvězd „vypařují“ docela rychle. Ty, které se nazývají „kulové shluky“, jako například shluk Hercules, obsahující stovky tisíc (starých) hvězd, jsou velmi slabě kolizní a neustále ztrácejí hvězdy, ale v tak pomalém tempu, že přežily déle než deset miliard let (jsou to nejstarší objekty ve galaxii). Nicméně nejsou ve stavu termodynamické rovnováhy a rozdělení rychlostí ukazují výraznou anizotropii.
Tato astrofyzikální digrese může působit jako ztráta času. Nezapomeňte. Před deseti nebo dvaceti lety „odborníci-astronomové“ byli přesvědčeni, že Slunce se narodilo samotné ve svém rohu galaxie a můj přítel Pierre Guérin mi říkal:
*- Můžeš se dostat do potíží, pokud se pokusíš říct opak. *
Dnes se přijalo myšlenka, že Slunce se narodilo v shluku, který dnes zmizel, ostatní hvězdy se rozptýlily po celé galaxii.
„Odborníci“.....
Věřím, že první věc, kterou by měl získat vědec, je:
- Omezená zpětná vazba o tom, co si myslíš, že znáš
*- Pochybnost o tom, co považuješ za „definitivně pravdivé“ nebo „definitivně špatné“. *
Co „odborníci“ nejvíc obtížně říkají, je „Nevím, co vám na to odpovědět“. Musí vždy být zodpovězeno, jakékoliv.
Rozmyslete si, že věda, jako jakákoli forma myšlení, je jen organizovaný systém víry.
Okamžitě za rázovou vlnou, když se hustota rychle zvýšila, je impulz přenášen kolizemi, postupně. Ale je to jako ve stolním tenise. První kolize přenášejí impulz, jehož směr se málo liší od směru původního impulzu. Musí být „několik kolizí“, aby se tyto energie (kinetické) přesměrovaly do všech směrů a prostředí „se zahřeje“. V termodynamické rovnováze mají molekuly plynu rychlosti tepelného pohybu rozložené izotropně (tak je to s vzduchem, který dýcháte). V našem experimentu trvalo „nějaký čas“, než se izotropie nastavila. Takže okamžitě za rázovou vlnou byl plyn „teplý“, ve smyslu, že rychlosti tepelného pohybu jeho atomů se zvýšily. Ale nemohl přenést tuto teplotu na stěnu tepelným tokem, protože tato tepelná agitace ještě neměla složku kolmou na ni.
Tento příklad ukazuje, jak je důležité, když jste fyzik, spojit stále experiment a teorii, pokud nechcete, aby vás experiment někdy zradil.
V tomto případě imploze bublin nejsem si jistý, že tato historie rázové vlny může být řešena diferenciálními rovnicemi Navier-Stockes. Tekutina, ztuhnulá pára, může být v velmi anizotropním stavu. Navíc se tento tekutý rychle stane hyperhustým. Pokud je to plazma (a při 15 000 °C je automaticky ionizované, jak se to děje! ), je to hyperhusté plazma, což je nejvíce neznámá věc (přemýšlejte o jevu bouřkové koule). Husté plazma se chová zcela jinak než málo husté nebo středně husté plazma.
Abych vám řekl svou myšlenku, neodvážím se popsat s takovou jistotou, co se může stát, když se centropetální rázová vlna fokusuje. Jen odborník od Scientific American, který se cítí povinen poskytnout odpovědi svým čtenářům, se odváží to udělat. Stejná poznámka pro „zlatý popcorn“ a způsob, jakým se získává.
Zpět k průvodci Zpět na úvodní stránku
Počet návštěv od 20. srpna 2005 :