Over de sonofusie van ultrageluidsfusie
De sonofusie
20 augustus 2005
U weet hoe een vliegtuig vliegt, neem ik aan. Anders lees "Zou men kunnen vliegen?", ook bekend als "l'Aspirisouffle". Er ontstaat een lage druk boven de vleugel, haar "bovenvlak".
Vliegtuigvleugel
Hoe groot is de lage druk op het oppervlak van deze vleugel? Neem een klein toeristenvliegtuig, met één plaats. Stel dat het gewicht in belasting 300 kilo is en het vleugeloppervlak 18 vierkante meter. Dat geeft een vleugelbelasting van 16 kilo per vierkante meter, oftewel 1,6 gram per vierkante centimeter. Aangezien de atmosferische druk op zeeniveau ongeveer duizend gram per vierkante centimeter is, bedraagt deze gemiddelde drukverschil tussen boven- en onderkant van de vleugel een paar millibar. Daarom kunnen vliegtuigen met doekvleugels vliegen, en is het niet aan te raden om op de vleugel te stappen, buiten de daarvoor bestemde plaatsen. Anders ga je erdoorheen.
Wat gebeurt er in water? Water is duizend keer dichter dan lucht. Bij dezelfde snelheid kun je dus met veel kleinere "vleugels" in het water "vliegen". Die noemen we "foils".
Vleugels en foils
Als we zo kunnen zweven op oppervlakken die zo klein zijn, is dat omdat de drukverschillen veel groter zijn. Stel dat deze foils zeer dicht bij het vloeistofoppervlak bewegen, dus in een omgeving waar de omgevende druk dicht bij één kilo per vierkante centimeter ligt. Het schip rechts zweeft dankzij veel grotere drukverschillen dan die rond een vliegtuigvleugel. Daarom zijn foils niet bekleed met doek, maar gemaakt van goed en stevig staal.
Waarom ontstaat er een lage druk boven de vleugel? In water is dat gemakkelijker te begrijpen. De vloeistofmassa bots tegen het profiel op het "stilstaande punt" en versnelt daarna weer. Hierbij krijgt ze een extra snelheid en ervaart ook de effecten van de centrifugale kracht.
Wat gebeurt er wanneer een vloeistof wordt blootgesteld aan een lage druk? We kunnen dit doen met een cilinder en een zuiger. Als we de druk in de vloeistof door het trekken van de zuiger verlagen tot onder de verzadigingsdampdruk bij de betreffende temperatuur, zullen er kleine belletjes ontstaan. Deze hebben niets te maken met de belletjes in champagne, die wijzen op aanwezigheid van opgeloste gassen in het drankje. Deze belletjes zijn gevuld met waterdamp. Dit is het fenomeen van cavitatie.
Fenomeen van cavitatie
Hier is een foto van het fenomeen, veroorzaakt in een cilinder.
Cavitatiebelletjes
In 1917 riep de Britse marine de natuurkundige William Strutt, alias Lord Raleigh, op om een vreemd probleem te bespreken. De bronsbladen van de schepen van Zijne Majesteit waren allemaal beschadigd, bezaaid met kleine gaten, terwijl ze bijna nieuw waren. De admiraals vroegen zich af of het water parasieten zou kunnen bevatten die het metaal van de bladen konden aanvallen. Hieronder een recente foto die laat zien hoeveel schade cavitatie kan veroorzaken op de bladen van een centrifugale pomp.
Schade door cavitatie, op een centrifugale pomp. Best indrukwekkend, nietwaar?
Hier is een vergroot beeld, toonende de "steekplekken" die in het metaal zijn waargenomen.
Schade door cavitatie op een bronsblad.
In tegenstelling tot wat de Britse admiraals aanvankelijk dachten, ging het niet om onbekende hydro-wespen. Lord Raleigh voerde enkele berekeningen uit en gaf hen de verklaring. De lage druk op de bladen van hun schroeven bleek zo sterk dat de druk op bepaalde plaatsen onder de verzadigingsdampdruk van water daalde. Het water ging dus tijdelijk koken. Een belangrijk detail: wat is de verzadigingsdampdruk van water bij kamertemperatuur?
Antwoord: enkele pascal, oftewel een honderdste millibar. De drukverschillen die zich rond de bladen in hydraulica vormen, zijn zeer intens. Daarom kunnen we een buitenboordmotor met een object zo klein als een schroef voortstuwen. Hier is een roterend schroefblad. De pijl geeft de aanwezigheid van waterdampbelletjes aan die het cavitatieproces vertegenwoordigen.
Cavitatie dicht bij de aanstroomsrand van een roterend schroefblad.
Men ziet een stroom belletjes waterdamp die zich vormen aan de rand van het blad. Maar hun oorsprong is van een andere aard. Ze zijn veroorzaakt door de randwervel en lijken op de condensatietrails die zich vormen aan de uiteinden van vliegtuigvleugels. Daar zullen we hier niet verder op ingaan. Overweeg het drukverloop langs het bovenvlak van een schroefblad:
Drukverloop langs het bovenvlak van een schroefblad
De grafiek is slechts schematisch. Men ziet dat de druk langs de vleugelstang snel daalt. Zodra deze onder de verzadigingsdampdruk van het vloeistof (water) komt, verschijnen er belletjes die groeien terwijl de druk verder daalt. Zelfs als de rest van het profiel nog steeds onder druk ligt ten opzichte van de omgevende druk, stijgt de druk uiteindelijk weer en wordt opnieuw hoger dan de verzadigingsdampdruk in het water. Dan probeert de waterdamp te verdwijnen, wat men ziet op de foto.
Iedereen weet dat in de vloeistofmechanica de fenomenen van uitrekking niet op dezelfde manier verlopen als de fenomenen van compressie (of hercompressie). Als de druk begint te stijgen, gedraagt de wand van de bel zich als een sferische zuiger die werkt op een gas, concurrentie met waterdamp. Als de snelheid van de implosie van de bel groter is dan de geluidssnelheid in de dampmassa (en dat is het) dan ontstaat er een sferische schokgolf die zich richt naar het geometrische middelpunt van het object, meedragend een grote hoeveelheid energie, genoeg om deze "steekplekken" in het metaal van het blad te veroorzaken en uiteindelijk de vernietiging te veroorzaken zoals we zagen bij de bladen van de pomp hierboven.
Uitleg van de schade veroorzaakt door cavitatie.
Men kent de zogeheten "hollow charge"-systemen. Men ontbrandt dan een explosief over het gehele oppervlak van een conische wand (met een zeer snelwerkend detonatiemiddel). Het oppervlak van de kegel zendt dan een zeer intense schokgolf uit, waarvan de energie wordt gefocust langs de as van het systeem. Er ontstaat dan een "spriet", die in staat is een staalplaat te doorboren met een dikte gelijk aan de diameter van de kegel (maar de spriet maakt een gat met veel kleinere diameter). De implosie van de bel doet denken aan de focalisatie van energie via een sferische schokgolf, zoals Christophe Tardy me opmerkte. Als men hollow charges zou ontwerpen rond een holte die niet conisch maar sferisch is, zou men de energie kunnen concentreren in het middelpunt van deze bol, op het focuspunt. Dat is precies wat er gebeurt bij cavitatie.
Zoals gezegd, werd het fenomeen van cavitatie in 1917 ontdekt. In 1930 kon men ultrasone golven op een redelijk intensieve manier produceren. In 1934 manifesteerde zich een nieuw fenomeen aan de universiteit van Keulen, dat de natuurkundigen sterk verbaasde. Wanneer men een vloeistof, zoals water, blootstelde aan ultrasone golven, emiteerde die vloeistof ... licht. Men gaf dit fenomeen de naam sonoluminescentie.
Op dat moment begreep niemand waarom dit fenomeen plaatsvond. Het is experimenteel geen mysterie, want u kunt zelfs het experimentele apparaat als kit bestellen:
De Amerikaanse kit voor sonoluminescentie-experimenten ( http://www.sonoluminescence.com )
Hier is de lichtemissie gefotografeerd:
Effecten van sonoluminescentie
Belletjes vormen zich, die uitdijen en inkrimpen in ritme met de uitzending van ultrasone golven. (hier onder 28 kilohertz). Hun grootte is van de orde van een micrometer. Het fenomeen is slecht begrepen en de metingen zijn lastig. De auteurs zijn niet allemaal hetzelfde over de pieken van druk en temperatuur die worden bereikt in het midden van de bel aan het einde van de compressie, maar in elk geval wordt verondersteld dat de temperaturen boven de tienduizend graden Celsius liggen. Dat verklaart de lichtemissie. Bij zulke temperaturen zijn moleculen gesplitst en zelfs geïoniseerd. Men vermoedt dat sonoluminescentie gepaard gaat met de vorming van een microplasma. Sinds enkele jaren is het mogelijk om sonoluminescentie op één enkele bel te produceren, door die te vangen via akoestische resonantie. De uitgezonden flitsen zijn zeer kort (van de orde van tien picoseconden). De temperatuurbepaling is gebaseerd op de golflengte van de uitgezonden straling, die overeenkomt met een energie van één elektronvolt. Aangezien de straling tot in het ultraviolet kan stijgen, veronderstelt men dat de bereikte temperaturen boven de tienduizend graden Celsius liggen (1 eV), en sommigen gaan zelfs zover dat ze denken dat ze veel hoger kunnen zijn (tot een miljoen graden Celsius of meer). Hier is een cumulatief lichteffect (waarbij microbelletjes overal verschijnen):
Sonoluminescentie
Veel mensen vragen zich nu af of men met behulp van de implosie van microbelletjes niet extreme omstandigheden kan bereiken aan het einde van de compressie, die kunnen leiden tot thermonucleaire fusie. We hebben een artikel uit Scientific American geraadpleegd dat de standpunten van de sceptici weergeeft. Persoonlijk denk ik dat dit een "open probleem" is. De feiten zijn er. Het fenomeen van cavitatie en dat van sonoluminescentie tonen aan dat deze belcompressie zeer hoge drukken en temperaturen kan opleveren. Het augustusnummer van Scientific American bevat "antwoorden van experts". De vraag van een lezer was:
- De belletjes die worden geproduceerd door ultrasone golven in water (sonoluminescentie) bereiken zeer hoge temperaturen en drukken gedurende korte perioden. Kunnen deze omstandigheden de kernfusie initiëren of bevorderen, zoals recent voorgesteld in de film "Chain Reaction"?
- De belletjes die worden geproduceerd door ultrasone golven in water (sonoluminescentie) bereiken zeer hoge temperaturen en drukken gedurende korte perioden. Kunnen deze omstandigheden de kernfusie initiëren of bevorderen, zoals recent voorgesteld in de film "Chain Reaction"?
Opmerking: Het is waar dat toen voor het eerst een waterbom H werd ontploft, de wetenschappers zich afvroegen of dit niet zou kunnen leiden tot een kettingreactie in alle oceanen.
Hier is het antwoord van de expert:
http://www.sciam.com/askexpert_question.cfm?articleID=000950E3-6815-1C71-9EB7809EC588F2D7&pageNumber=3&catID=3
- Wanneer het drukveld omkeert, wordt de druk dan hoger dan de verzadigingsdampdruk en condenseert de damp snel. Al de energie die tijdens de uitzetting aan de bel was gegeven, is nu beschikbaar om te worden geconcentreerd in een klein gebied terwijl de bel imploseert. Dit noemen we akoestische cavitatie. Deze implosieve collapse wordt beheerst door de traagheid van de omringende vloeistof. De kleine hoeveelheid overgebleven damp in de bel draagt bij aan dit proces. Zo kan de energiedichtheid hoger worden dan die van het oorspronkelijke medium. Daarom vindt er een elektromagnetische energie-emissie plaats met energieën van de orde van één elektronvolt (10.000°). Dit noemen we sonoluminescentie. Deze temperatuur is hoog genoeg om chemische reacties te veroorzaken. De revue publiceerde een artikel over de chemische effecten van ultrasone golven: ("The Chemical Effects of Ultrasound," by Kenneth S. Suslick in Scientific American, Vol. 260, No. 2, pages 8086 [or 62-68 for non-U.S. readers]; February 1989). Als we nucleaire processen willen overwegen, moeten we schalen overwegen die dan rond de grootte van atoomkernen liggen en energieën die typisch van de orde van MeV zijn.
Snel opmerking over de equivalentie tussen energie gemeten in elektronvolt, absolute temperatuur en golflengte. We schrijven:
e V = k T = h ( nu )
e = 1,6 10 -19 coulomb (eenheidslading) V = meting van energie in "elektronvolt" k = 1,38 10-23 (Boltzmannconstante) T = absolute temperatuur h = Planckconstante (6,63 10 -34) nu (griekse letter) = frequentie = c / lambda. lambda: golflengte, in meter. c = lichtsnelheid, in meter per seconde: 3 108 m/s
Een elektronvolt = (e/k) ° Kelvin = 11.594 °K
De bijbehorende golflengte van een energie gelijk aan één elektronvolt is: lambda = (h c) / e = 1,24 10-6 meter = een micrometer.
Als er UV-uitstraling is, zou dat betekenen dat de maximale temperatuur die door sonofusie wordt bereikt, tot 15.000°K kan gaan. Maar we hoeven niet te kibbelen over een paar misèrelijke duizenden graden.
De expert antwoordt direct op de vraag van de lezer door te zeggen dat volgens hem het onwaarschijnlijk is dat sonoluminescentie fusie zou kunnen veroorzaken en dat er een verschil van zes ordes van grootte ontstaat (het verhoudingsgetal tussen elektronvolt: tienduizend graden, en MeV: tien miljoen graden, een miljoen keer meer). Hij voegt toe:
- Er was een kleine hoop toen er aanwijzingen kwamen dat de implosie van de bel gepaard zou gaan met het ontstaan van een schokgolf die zich vormt in het gas binnenin de bel. Deze schokgolf kan dit gas comprimeren en William C. Moss en zijn collega's van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben theoretische schattingen gemaakt waaruit blijkt dat de waarden die bereikt worden, dan dicht bij de vereiste waarden voor fusie zouden kunnen liggen. Putterman en zijn collega's van de Universiteit van Californië hebben de snelheid van de grens van de bel gemeten en konden aantonen dat deze ongeveer vier tot vijf keer hoger was dan de geluidssnelheid in de damp binnenin de bel. Deze resultaten leken dus veelbelovend. Andrea Prosperetti, in een eerdere "expertantwoord", benadrukte dat voor een effectieve compressie de schokgolf een sferische symmetrie moest behouden. Maar hij voegde eraan toe dat hij twijfelde of dit mogelijk was.
Opmerking: oordeel zonder onderbouwing. Zie verder.
De expert van Scientific American gaat verder:
- Tom Matula en zijn collega's van de Universiteit van Washington hebben een schokgolf waargenomen na de implosie van de bel, die mogelijk een terugwerking is van de implosie van een schokgolf.
Het einde van de opmerking, dat lijkt te verwijzen naar een film die meer op sciencefiction dan op wetenschap is gebaseerd, biedt weinig waarde. Maar we moeten onthouden dat het bestaan van de schokgolf wordt benadrukt. Dit is zij, en niet de beweging van de vloeistofmassa, die in staat is een energieconcentratie te creëren die sterk genoeg is.
Men merkt ook op dat de expert (en de lezer) alleen verwijzen naar sonoluminescentie-experimenten die in water zijn uitgevoerd. Maar dit kan met elk vloeistof. Het augustusnummer van Science et Vie bespreekt experimenten die zijn uitgevoerd in acetone. Hoewel ik geen enkele kennis heb van chemie (ik geef het toe: er is geen Lanturlu over chemie, voor het werk waarvoor ik de hulp van lezers nodig heb), lijkt het me dat acetone veel vluchtiger is dan water. De dichtheid is vergelijkbaar met die van water (0,79 in plaats van 1). Men leest dat de verzadigingsdampdruk van acetone 178 mm kwik is bij 20°C, tegen een paar honderdsten van een mm kwik voor water. Beide zijn dus in een verhouding van ongeveer tienduizend. Hervé Lemonnier, van het laboratorium voor instrumentatie en experimentatie (LIEX) van het CEA in Grenoble, zegt: "Voor veel mensen was de weg van sonofusie een wonder of een fraude."
Het team van Rusi Taleyarkan (van Purdue, Indiana) en Lahey (Rensselaer Institute in Troy, nabij New York) beweert dat ze temperaturen van tienduizend graden Celsius bereikten tijdens experimenten in Oak Ridge, Tennessee. De publicatie uit 2002 had destijds een grote ophef veroorzaakt. Maar twee jaar later gebruikten de Amerikaanse onderzoekers acetone die gedopeerd was met deuterium. Ze constateerden dat de gevormde belletjes zich verhogen met een factor van 100.000, in plaats van een factor van honderd in water. Alles wijst erop dat deze systemen aan het einde van de implosie drukken van de orde van een gigabar zouden kunnen opleveren, waardoor de kernen voldoende dicht bij elkaar komen om fusie te veroorzaken. De experimenten, aldus deze onderzoekers, hebben een uitstraling van neutronen van 2,5 MeV en van ... tritium geïdentificeerd!
Wetenschappers zijn sceptisch over dit resultaat. In Scientific American staat dat voor dit experiment zou hebben gewerkt, de onderzoekers de regelmatige focalisatie van een sferische schokgolf zouden moeten hebben bereikt. En ze voegen toe: "dat is onmogelijk, gezien we het niet kunnen realiseren bij laserfusie".
Er is inderdaad een verwantschap tussen de twee fenomenen. Bij laserfusie wordt de buitenste laag van een schil, genaamd "pusher" (de duwer), bestraald, die een doelwit omringt dat bestaat uit een mengsel van fusie (deuterium plus tritium).
Laserfusie met bestraling en regelmatige uitbreiding van de pusher.
De uitbreiding van de pusher veroorzaakt het vertrek van twee schokgolven: naar buiten en naar binnen. Dit is, terloops, het analogon van wat er gebeurt bij een supernova, een grote ster die explodeert.
Ik was de eerste niet-Amerikaan die deze experimenten in 1976 dichtbij zag bij het Lawrence Livermore Laboratory. De Zweed Alström was, samen met de theorie-expert Nuchols, verantwoordelijk voor het ontwikkelen van laserfusie. Destijds stond er het "Janus"-bank, uitgerust met twee lasers van een terawatt. "Shiva", die 24 lasers had, werd net naast gebouwd. Toen ik terugkeerde naar Frankrijk en het woord "terawatt" (een miljoen megawatt) gebruikte, wilde niemand me geloven en de revue Science et Vie (toen geleid door Philippe Cousin), die ik echter mooie kleurenfoto's van dit apparaat had meegebracht (een echte scoop destijds), na advies van de "specialisten" van het CEA, beschouwde mijn artikel als een misleiding en liet het volledig herschrijven door de Franse wetenschapsjournalist Françoise Harroy-Mounin.
Men kan zich afvragen hoe een Franse astrofysicus, werkzaam op het observatorium van Marseille, zo kon doordringen in een van de heiligdommen van de Amerikaanse wetenschap van die tijd. Het verhaal is het waard om verteld te worden. Aangezien ik geen namen noem en sommige betrokkenen al lang zijn overleden, heeft het geen gevolgen. In het begin, in de jaren zestig, kende men alleen lasers met gas (eerst helium-neon lasers, daarna krachtige CO2-lasers). Alström was de eerste die begreep dat om de kracht van lasers te verhogen, materialen nodig waren waarin de "gepompte" energie (via "optische pompen") in een zeer korte tijd werd teruggegeven. Hij koos daarom voor vaste lasermaterialen, zoals glas gedopeerd met neodymium (een zeldzame aarde). De pomp werd bereikt door grote blokken (die tot een meter diameter konden hebben) te belichten met een batterij lampen met krypton of xenon. Het aanwezigheid van neodymium geeft het glas een mooie lichtroze kleur. Maar Alström had, terecht, angst dat zijn Amerikaanse collega's zouden proberen zijn idee te stelen. Hij ontwikkelde daarom het plan om dit discreet in Frankrijk te ontwikkelen en belandde toen in een laboratorium waar ik destijds werkte, waarvan ik de naam zal achterhouden. Ik zei tegen Alström:
- Mijn arme vriend. Door de VS te verlaten en hier te komen, bent u van Charybdis naar Scylla gevallen. Onze lieve baas is een beroerde bandiet, met al zijn vroegere dienstverrichtingen al vol. Hij lijkt heel stoutmoedig. Maar vertrouw hem niet. Achter zijn vriendelijke en ontspannen uitstraling zit een schurk zonder enige scrupules.
Alström begreep het. Hij ontwikkelde onder toezicht van zijn Franse baas lasers met gas en verhulde zorgvuldig de experimenten die hij deed met neodymium-lasers. Hij gebruikte waarschijnlijk een list om de aankoop van dit materiaal, geïmporteerd uit de VS, te rechtvaardigen. De ander vertrouwde hem niet meer dan nodig was. In werkelijkheid ben ik niet zeker of onze dinosaurussenbaas destijds echt begreep hoe een laser werkte. Toen de Amerikaan terugkeerde naar de VS, kwam de echte aard van de werkzaamheden die hij in Frankrijk had uitgevoerd, en die hij publiceerde na zijn terugkeer, aan het licht. Ik herinner me mijn baas, razend van woede, door de gangen van het laboratorium ijsberend:
- Deze Alström is een bandiet!
Een bandiet, een halfbandiet...
Het bovenstaande beeld vertegenwoordigt wat men had willen bereiken. Maar in de praktijk bleek het onmogelijk (en dat is nu al 40 jaar zo) om de pusher op dezelfde manier te belichten op alle doelwitpunten. Het probleem zit niet in het richten van de bundels, maar in het perfecte synchroniseren van de energie-aanvoer. In de praktijk kregen we dit:
Onregelmatige uitbreiding van de pusher
Er gebeurt dan wat er gebeurt als je probeert modder te comprimeren tussen je twee handen: hij ontsnapt tussen je vingers.
Om het gedrag van de schokgolf te beeldhouwen, zullen we een hydraulische analogie gebruiken. Stel je een waterkamer voor met een goed geordende, conische bodemverhoging. Rondom deze verhoging plaatsen we een scheidingswand om een hoogteverschil (drukverschil) te creëren. Verwijder de wand dan plotseling.
Apparaat voor het creëren van een centripetale schokgolf
Er zal een vloeistoffront ontstaan, dat analoog is aan een schokgolf. Je kunt zelfs thuis een analoge circulaire, stationaire schokgolf maken door gewoon water in je gootsteen te laten lopen:
Circulaire golf die zich vormt in een gootsteen
Laten we terugkeren naar onze focalisatie van een sferische centripetale schokgolf, zeer "harde" (ze worden dan "blast waves" genoemd). Hier is de golf beweeglijk en beweegt zich naar het geometrische middelpunt van het systeem.
Goede focalisatie van een centripetale golf (hydraulische analogie)
Laat de gootsteen achterwege en keer terug naar het voorgestelde experiment. De conische bodemverhoging zal de opwaartse beweging van het golffront versterken. Denk aan het "tsunami-effect". Als de golf aanvankelijk goed circulair is gemaakt, gaat alles goed.
Maar bij laserfusie gaat alles slecht. Delen van de "pusher" worden harder verwarmd dan andere delen, en we krijgen wat we in een vorige figuur zagen. We kunnen dit simuleren in hydraulica door achter de circulaire wand bassins met verschillende hoogte te plaatsen (we konden ook wanden plaatsen die niet allemaal op dezelfde afstand van het geometrische middelpunt liggen, wat hetzelfde zou zijn en het gebrek aan synchronisatie van de belichting zou simuleren).
Slechte focalisatie van een centripetale schokgolf (hydraulische simulatie)
Precies dit zal gebeuren in het "Mégajoule"-experiment waarover we al jaren horen, en dat met miljarden euro's wordt opgetrokken bij Barp, nabij Bordeaux. Periodiek zullen wetenschappelijke popularisatiebladen, onder de controle van de macht, mooie liedjes zingen over het feit dat "we een zon in het laboratorium gaan recreëren". Voorbeeld: het artikel van Jean-François Augereau (Le Monde, september 2003), getiteld "De vuren van de hel in een gouden kamer".
Terwijl we er toch zijn, waarom branden we niet gewoon vijftig euro-biljetten?
Vuren van de hel, mijn knieën...
Weinig kans dat het CNRS protesteert. Ze kregen er een paar brokken bij, enkele posities voor hun onderzoekers.
Mégajoule zal niet werken. Het maakt niet uit. Het is slechts een "schermproject", bedoeld om de Franse burgers te verbergen dat er stiekem ondergrondse nucleaire experimenten worden uitgevoerd in mijnwerken. Je moet wetenschapsjournalist zijn om te geloven dat Frankrijk sinds 1996 (sinds negen jaar op het moment dat ik deze regels schrijf) geen enkel nucleair proef heeft uitgevoerd. Ik heb me uitgesloofd om de aandacht te vestigen op dit punt. Ik heb zelfs een proces gekregen voor dit. De Fransen zullen zichzelf moeten verantwoorden aan hun politici en militaire ingenieurs, die volkomen verantwoordelijk zijn, wanneer het moment komt om de ecologische rekening te betalen, waarvan de prijs zonder precedent is (verwarming van afvalstoffen van explosies door grondwatercirculatie, na oplossing van hun kalkstenen gevangenis, zoals in de mijn van Gardanne, die kort na ik dit probleem aan de kaak stelde, werd ondergedompeld om elke ter plekke onderzoek te voorkomen).
Laten we terugkeren naar het thema van sonofusie. Ik vind de aanpak interessant omdat het systeem waarin de impuls wordt gegeven door de hercompressie van het omringende medium lijkt geldig. Het lijkt me dat dit dan schokgolven kunnen veroorzaken die centripetaal zijn en sferisch symmetrisch (we weten tenminste dat tijdens de eerste fase: de uitbreiding, de bel een mooie sferische symmetrie heeft). Fysiek, als de golf aanvankelijk dicht bij de bol is, lijkt het me dat hij zijn sfericiteit behoudt en zeer grote compressies kan veroorzaken.
Start van een centripetale schokgolf in een cavitatiebel
Daarom vind ik dat het argument van de "expert van Scientific American" niet houdt. De twee fenomenen zijn slechts "cousins". Sonofusie lijkt me een weg te verkennen, die bovendien weinig kost. In tegenstelling tot laserfusie, die verspilling is: geen enkele kans. Vanaf het begin heeft de golf de vorm van een aardappel die is uitgegroeid.
Een klein opmerking terloops, als je wilt dat een klein experiment maakt waarmee je kunt zien hoe een sferoïdale centripetale golf zich versterkt terwijl hij convergeert naar zijn geometrische middelpunt.
Bouw een kanaal waarvan de bodem de vorm heeft van een conische oppervlak. Gebruik karton, dat je met lak behandelt zodat het niet zachter wordt bij contact met water. Plaats een scheidingswand en vul alles met water, zodat er een hoogteverschil van 5 mm ontstaat. Wanneer je de wand plotseling verwijdert, gaat een golf, vergelijkbaar met een schokgolf, naar de top van de kegel, die snel versterkt wordt. Denk eraan om voldoende ruimte te laten voor de scheidingswand zodat de "dilatatiegolf" vrij kan lopen zonder te vroeg te reflecteren op de bodem van je conische bak.
Hydraulische simulatie van de implosie van een sferische schokgolf
Een tsunami ontstond ooit in Alaska, die zich in een fjord verspreidde. Het resultaat was ... een golf van honderden meters hoog. Identiek fenomeen.
Als het fenomeen van sonofusie zou worden bevestigd, hoe ver zouden we met deze techniek kunnen gaan? Een paar jaar geleden nam een alchemist contact op met mij. Hij beweerde dat hij goud kon maken uit zilver (in de alchemie noemt men deze techniek spagyrie). Ik sprak hierover met mijn vriend Alain D en we kwamen overeen op een deal. Als de alchemist voor ons een dergelijke wonderbaarlijke daad zou kunnen verrichten, zou Alain hem een magnetron betalen die hij kon gebruiken om zijn onderzoek voort te zetten. We stelden een experimenteel protocol op. Wij moesten de ingrediënten bemachtigen (gewoon zilver en ... kalk). Alain had een oven, waarvan zijn vrouw gebruikmaakte voor het maken van keramiek. Het mengsel van zilver en kalk moest worden gesmolten en vervolgens snel in ... water gegooid. Het smeltende mengsel veranderde dan in iets dat leek op popcorn. Elke derde keer ging de manipulatie gepaard met een scherpe knal, die een schokgolf deed denken. Toen, ô verbazing, was de popcorn ... verguld.
Met een sterke zuur (ik geloof nitriekzuur) kon het object worden opgelost. Wanneer je een stukje goud in een maatbeker gooide, ging alles over in vloeistof. Er bleven alleen nog pailletjes achter. De analyse met koningswater toonde aan dat het echt goud was, al was de hoeveelheid klein.
De ervaring zou opnieuw moeten worden uitgevoerd. Sommigen zullen me waarschijnlijk zeggen dat, gezien de geringe hoeveelheid geproduceerde hoeveelheden (waarschijnlijk microgrammen), het goud waarschijnlijk al aanwezig was in de monsters van zilver en kalk (die waren gekocht bij een bedrijf dat zuivere ingrediënten leverde voor laboratoria). Mogelijk. Hoe dan ook, het zou nog steeds moeten worden uitgelegd hoe de explosie ervoor zorgt dat het goud aan de oppervlakte van onze popcornbellen terugkomt, wat een mooie ervaring blijft.
Hieronder staat wat ik enkele jaren geleden in de vorm van een verhaal heb verteld. Vervang Peter Small door Jean-Pierre Petit, Morgan door Alain D en Caw door Albert Cau (die ooit een website had. Iemand zal misschien zijn spoor kunnen terugvinden).
Zoals in "Het jaar van de ontmoeting":
Elke gelijkenis met fictieve personages is zuiver toevallig.
Als afsluiting:
In dit dossier hebben we een "deskundigenadvies" besproken, afkomstig van een correspondent van de "prestigieuze" Amerikaanse tijdschrift Scientific American. In de loop van onze analyse bleek dat dit besliste advies meer dan oppervlakkig was. Ik ga zelfs nog verder, als gespecialiseerde in plasma's (wat ik nog steeds ben, ook al heb ik dit onderzoeksterrein in 1986 opgegeven). Het is extreem riskant om conclusies te trekken over dichte, zelfs hyperdichte, milieu's. We zagen dat in 1917 een grote verrassing was dat simpele waterdampbelletjes op een fraaie manier bronsbladen konden opeten. In 1934 ontdekten natuurkundigen per ongeluk dat ze temperaturen van 15.000 ° konden bereiken door water bloot te stellen aan extreem hoge frequenties. Wie zegt dat fusie niet binnen handbereik is met zulke eenvoudige technieken? Er zijn wel aanwijzingen. Het fenomeen heeft een logica. Bovendien zijn deze onderzoeken relatief goedkoop.
Daarnaast is een schokgolf een verschijnsel dat een medium in een zeer sterk niet-thermodynamisch evenwicht brengt. We hadden dit soort fenomeen per ongeluk ontdekt in de jaren zestig, met een groot aantal onderzoekers die experimenten uitvoerden van dit type. Toen werden temperaturen van gassen van ongeveer tienduizend graden gegenereerd achter een schokgolf die door een zogenaamde "schokbuis" (shock tube) reisde. Het passeren van deze schokgolf leidde tot een drukstijging van tien millimeter kwik naar waarden van ongeveer één atmosfeer. We maten met verschillende technieken wat er achter de schokgolf gebeurde. Bijvoorbeeld, dichtheidsmetingen werden uitgevoerd met een optische methode, via interferometrie, door te spelen op het feit dat de brekingsindex van het medium rechtstreeks afhankelijk is van de dichtheid. Deze dichtheidsstijging was het signaal van het passeren van de schokgolf, die met een snelheid van één mijl per seconde door de buis reisde.
We maten de temperatuurstijging door de warmtestroom aan de wand te bepalen. Daartoe brachten we via vacuümverdamping een dun metaalfilm aan op een wandsensor, waarvan de elektrische weerstand veranderde afhankelijk van de temperatuur. De dunheid zorgde ervoor dat de thermische inertie als verwaarloosbaar kon worden beschouwd. Maar o, verrassing: de temperatuurstijging manifesteerde zich met een vertraging van enkele microseconden. Aangezien de schokgolf de buis met 1700 meter per seconde doorkruiste, betekende dit dat de temperatuurstijging twee centimeter achter de schokgolf werd waargenomen. Om deze schijnbare absurditeit te begrijpen, moest men enige kennis hebben van de kinetische theorie van gassen, wat niet het geval was bij mijn collega's, die alleen op differentiaalvergelijkingen van Navier en Stokes vertrouwden.
Wat is een schokgolf? Het is een gerichte trilling in een bepaalde richting, een "hamerklap" die wordt toegepast op moleculen of atomen. Deze hamerklap kan worden veroorzaakt door atomen van een vast stof (de fragmenten van een ontplofte granaat) of door een vloeistof die plotseling in beweging komt (de wand van de bel die in water plotseling samentrekt). De voortplanting van de schokgolf vertegenwoordigt het feit dat deze "hamerklap" van moleculen naar moleculen wordt doorgegeven. Het is eenzijdig en gericht in een bepaalde richting.
In onze schokbuis werd deze trilling aan de atomen (het ging om argon) overgedragen in de richting van de buis, in de richting van de snelheid. De temperatuur in een gas is een maat voor de bewegingsenergie van de moleculen die het vormen. Strikt genomen, er is een temperatuur voor elke soort in een gas dat een mengsel is (en bijvoorbeeld een plasma is een mengsel van ionengassen en een "elektronengas"). De definitie van de absolute temperatuur van soort i in een mengsel van meerdere soorten wordt gegeven door de formule (dit is een definitie):
waarbij k de Boltzmannconstante is (1,38 × 10⁻²³) en mi de massa is van het element van de overwogen soort (atoom, molecuul of elektron). Botsingen zorgen er snel voor dat de temperaturen van de soorten in een mengsel gelijk worden, wat overeenkomt met een thermodynamisch evenwicht. Maar er is in uw keuken een gasvormig milieu dat zeer buiten evenwicht is. Dat is de inhoud van uw neonbuis, waarin de ionen koud zijn (u kunt dit controleren door de buis aan te raken), maar waarin de elektronen op 10.000 tot 15.000 °C staan. Voor meer informatie, kijk eens naar "Voor een paar ampère meer" in de CD Lanturlu1. In 1966 was ik de eerste ter wereld die een MHD-generator kon laten werken met twee temperaturen (zesduizend voor het gas, tienduizend voor de elektronen), ditmaal bij hoge dichtheid (gasdruk: één bar), een resultaat dat in 1967 werd gepresenteerd op een internationaal MHD-congres in Warschau en later een van mijn studenten, wiens naam ik niet noem, toegang gaf tot een prachtige carrière binnen het CNRS en die deze werkzaamheden na mijn vertrek van het Instituut voor Stromingsmechanica van Marseille, waar hij zijn doctoraatsproef over maakte, ten goede bracht, zonder ooit een publicatie te ondertekenen met alleen zijn naam. Werk waardoor de Worthington-prijs aan hem werd toegekend, wat hem toegang gaf tot het directoraat van het laboratorium voor aerothermodynamica in Meudon, vervolgens directeur-regio CNRS in de regio PACA, en uiteindelijk, wat hij nog steeds is, directeur-regio in de zuidelijke regio Île-de-France. Dit om aan te geven dat ontdekkingen van sommigen kunnen profiteren van anderen. Het lijkt een beetje op een rekening opmaken, 40 jaar later, ik weet het. Maar het is goed om af en toe te herinneren hoe het onderzoekslandschap werkt, en helaas is dat nog steeds actueel.
Laten we teruggaan naar deze thermodynamisch niet-geëquilibreerde toestanden. De grafiek hierboven geeft een zogenaamde Maxwell-Boltzmann-verdeling weer en vertegenwoordigt de toestand waarin een gas zich onder invloed van botsingen richt.
Een schokgolf creëert een zeer uitgesproken anisotropie in het gas, die zich uitstrekt over een korte afstand: enkele "gemiddelde vrije weglengten". Wij leven in een zeer niet-geëquilibreerd thermodynamisch milieu dat een ... melkweg heet en waarin de vloeistof een gas van sterren is, of beter gezegd een mengsel van verschillende "sterren-gassen". Met "sterren-gas" bedoelen we een vloeistof waarvan de atomen ... sterren zijn. De anisotropie is zeer uitgesproken (factor 2 in de verhouding van de gemiddelde thermische bewegingsnelheid in de richtingen waarin deze maximaal en minimaal is). Dit is een natuurlijke toestand in het sterrenstelsel, dat niet-collidende is en dus niet kan convergeren naar een thermodynamisch evenwicht door botsingen. Botsingen betekenen niet een frontale ontmoeting tussen sterren, maar een eenvoudige kruising waarbij de banen elkaar beïnvloeden (de Anglo-Saxons gebruiken het meer passende woord "encounter": "ontmoeting"). Deze "ontmoetingen" tussen sterren zijn zo zeldzaam dat we kunnen aannemen dat ze zich in onze melkweg sinds miljarden jaren vrijwel niet hebben voorgedaan. Behalve in sterrenhopen waar jonge sterren ontstaan. Aangezien deze interacties tendens hebben om een "Maxwell-Boltzmann-snelheidsverdeling" te creëren, geven ze sterren voldoende snelheid om de ontsnappingssnelheid van de hopen te overschrijden. Zo "verdampen" deze hopen met enkele honderden sterren vrij snel. Die we "globulaire hopen" noemen, zoals de hopen van Hercules, die honderdduizenden (oude) sterren bevatten, zijn zeer zwak collidend en verliezen voortdurend sterren, maar met zo’n trage snelheid dat ze al meer dan tien miljard jaar hebben overleefd (het zijn de oudste objecten in de melkweg). Toch zijn ze niet in thermodynamisch evenwicht en tonen hun snelheidsverdelingen een duidelijke anisotropie.
Deze astrofysische afwijking kan misschien als irrelevant lijken. Verkeerd geraden. Tien of twintig jaar geleden waren de "deskundige-astronomen" ervan overtuigd dat de Zon alleen was geboren in zijn hoekje van de melkweg, en mijn vriend Pierre Guérin zei tegen mij:
*- Je riskeert om een slechte indruk te maken als je het tegendeel beweert. *
Vandaag de dag is men er aan gewend dat de Zon is geboren in een sterrenhoop die nu verdwenen is, waar de andere sterren zich verspreid hebben over de hele melkweg.
De "deskundigen".....
Ik denk dat het eerste wat je in de wetenschap moet leren is:
- De bescheidenheid ten aanzien van wat je denkt te kennen.
- Het twijfelen ten aanzien van wat je beschouwt als "definitief waar" of "definitief fout".
Wat deskundigen het moeilijkst vinden om te zeggen is: "Ik weet niet hoe ik daarop moet antwoorden." Ze moeten absoluut een antwoord geven, wat het ook is.
Vergeet niet dat de wetenschap, net als elke vorm van denken, slechts een georganiseerd systeem van overtuigingen is.
Direct achter een schokgolf, wanneer de dichtheid zeer plotseling is gestegen, wordt de impuls door botsingen van moleculen naar moleculen overgedragen. Maar het is als bij biljart. De eerste botsingen overdragen een impuls waarvan de richting weinig verschilt van de richting van de oorspronkelijke impuls. Er zijn "enkele botsingen" nodig voordat deze energie (kinetische energie) in alle richtingen wordt herverdeeld en het medium "thermisch geïntegreerd" wordt. In een gas in thermodynamisch evenwicht hebben de moleculen snelheden van beweging die isotroop zijn verdeeld (zoals de lucht die je ademt). In ons experiment duurde het "een tijdje" voordat deze isotropie zich had ingesteld. Dus direct achter de schokgolf was het gas "warm", in de zin dat de thermische bewegingsnelheid van zijn atomen was toegenomen. Maar het kon deze temperatuur niet door warmtestroom aan de wand overdragen, omdat die thermische beweging nog geen component had loodrecht op de wand.
Dit voorbeeld laat zien hoe belangrijk het is, als natuurkundige, om experimentatie en theorie voortdurend te combineren, anders speelt de ervaring je soms een streek.
In dit geval van de implosie van belletjes durf ik niet te zeggen dat het fenomeen van schokgolven kan worden behandeld met Navier-Stokes differentiaalvergelijkingen. Het medium, de aangeslagen damp, zou zich in een zeer anisotrope toestand kunnen bevinden. Bovendien wordt dit medium zeer snel hyperdicht. Als het een plasma is (en bij 15.000 °C is het automatisch geïoniseerd, o, hoe!) dan is het een hyperdicht plasma, wat de minst bekende situatie is (denk aan het fenomeen van de bolbliksem). Een hoogdicht plasma gedraagt zich helemaal niet zoals een laagdicht of gemiddeld dicht plasma.
Om mijn standpunt te geven: ik zou me niet durven wagen om met zoveel zekerheid te beschrijven wat er kan gebeuren wanneer een centripetale schokgolf zich concentreert. Alleen een deskundige van Scientific American, die zich verplicht voelt om aan zijn lezers altijd antwoorden te geven, durft dat te doen. Dezelfde opmerking geldt voor "het goudplaatste popcorn" en de manier waarop het wordt verkregen.
Terug naar Gids Terug naar Startpagina
Aantal bezoeken sinds 20 augustus 2005: