Deszcze diamentów bez tajemnic. Naukowcy rozgryźli sensacyjne zjawisko

Naukowcy stopili diament i odkryli tajemnicę lodowych gigantów

Niektóre z najdziwniejszych zjawisk pogodowych w Układzie Słonecznym nie mają miejsca na Ziemi ani nawet na Wielkiej Czerwonej Plamie Jowisza. Mają one miejsce we wnętrzach lodowych gigantów, takich jak Neptun i Uran. Od dłuższego czasu naukowcy byli zdania, że przy określonych ciśnieniach i temperaturach wewnątrz tych planet dosłownie pada deszcz diamentów. Teraz po raz pierwszy udało im się odtworzyć proces, który powoduje to zjawisko.

Nowy artykuł fizyków z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) rozwiązuje trwającą od 20 lat naukową zagwozdkę. Artykuł opublikowano w czasopiśmie naukowym Nature Physics. Z niego dowiadujemy się, że te same zjawiska fizyczne, które powodują, że wewnątrz Neptuna pada deszcz diamentów, mogą również pomóc nam potroić wydajność energii termojądrowej.

Jak wyglądał eksperyment? Laser został skierowany na diament i doprowadził do odparowania zewnętrznej warstwy próbki diamentu. W tym czasie naukowcy obserwowali ten proces za pomocą jak największej liczby czujników, w tym ultraszybkiej techniki zwanej dyfrakcją rentgenowską. Odparowanie to wywołało ogromną falę uderzeniową w głębi samego diamentu, sprężając go do ciśnienia ponad trzykrotnie większego niż w jądrze Ziemi. To wszystko spowodowało wzrost temperatury do poziomu odpowiadającego powierzchni Słońca, jednak trwało to zaledwie miliardową część sekundy.

Ich obserwacje pomogły rozwiązać trwającą od 20 lat zagadkę i ustaliły temperaturę topnienia diamentu. Wcześniejsze próby miały tolerancję błędu nawet do 20% - a w świecie fizyki to bardzo dużo. Nie było to jednak ich najciekawszym odkryciem. Ustalili także, że w odpowiednich warunkach diamenty unosiłyby się na morzu węgla.

Jak wskazuje komunikat prasowy LLNL, wszyscy znamy jeden konkretny przykład, w którym materiał w swoim stałym stanie skupienia ma mniejszą gęstość niż jego postać ciekła i jest to lód oraz woda. Jednak odkrycie, że diament w stałym stanie skupienia ma mniejszą gęstość niż ciekły węglowy metal, było dla naukowców dość zaskakujące.

Otworzyło to drogę do jednego z najbardziej efektownych zjawisk pogodowych w Układzie Słonecznym – diamentowego deszczu. Diamenty wcale nie są takie rzadkie, jak myślimy. W głębokich wnętrzach planet Układu Słonecznego i poza nim kryją się ich miliardy ton, a przy odpowiednio wysokim ciśnieniu i temperaturze dosłownie się topią, opadając w stronę jądra planety. To właśnie tarcie i ciepło tych diamentowych kropli tłumaczą nadwyżkę energii, którą Neptun wypromieniowuje w kosmos. Natomiast artykuł LLNL po raz pierwszy podaje dokładne warunki ciśnienia i temperatury, w jakich to się dzieje.

Na żywo tego jeszcze długo nie zobaczymy, ale odkrycie ma praktyczne znaczenie, które możemy wykorzystać na Ziemi. Mówimy o procesie zwanym syntezą jądrową. W LLNL działa eksperymentalne urządzenie National Ignition Facility, za pomocą którego naukowcy metodą fuzji inercyjnej próbują uzyskać reakcję o dodatnim bilansie energetycznym. W skrócie – mówimy o kontrolowanej reakcji termojądrowej wywołanej za pomocą silnego impulsu laserowego.

Autorzy artykułu, testując diament podobny do "celu" używanego w eksperymentach NIF, odkryli, że wcale nie trzeba uderzać w niego z tak dużą mocą jak dotychczas. Wolniejszy, łagodniejszy impuls początkowy również w pełni topi kapsułę, a według obliczeń mógłby potroić energię uwalnianą z jej paliwa. To ogromny skok, ale wciąż za mało, by NIF przekroczył próg "opłacalności inżynieryjnej". Jeszcze się do tego poziomu nie zbliżyliśmy.