Il Calore incontra una Barriera: l’inaspettato comportamente del Plasma a 100 mila gradi C apre nuove prospettive per la fusione

Ricercatori statunitensi hanno scoperto che il calore non fluisce come previsto tra materiali diversi quando questi si trovano in uno stato ultra-caldo e ultra-denso noto come plasma ad alta densità energetica. Ad altissime temperature il calore incontra una “Barriera” fra di diversi materiali, come un muro.

Come viene rappresentato nel comunicato stampa il flusso di calore

L’esperimento, condotto utilizzando il potente laser Omega-60 dell’Università di Rochester, ha dimostrato che anche a una temperatura incredibile di 180.000 gradi Fahrenheit, 100.000 Celsius, il calore fatica a spostarsi tra materiali diversi in uno stato di plasma ad alta densità energetica.

I risultati mettono in discussione le precedenti ipotesi sul comportamento del calore in ambienti simili a quelli che si trovano all’interno delle stelle e dei nuclei planetari, o creati in esperimenti che mirano all’accensione della fusione guidata dal laser.

“Il lavoro dovrebbe fornire una migliore comprensione degli esperimenti di fusione a confinamento inerziale, che mirano a ottenere in modo affidabile l’accensione della fusione sulla Terra utilizzando i laser”, hanno affermato i ricercatori in un comunicato stampa.

Prima osservazione diretta del flusso di calore limitato

Questa ricerca segna la prima volta che gli scienziati hanno osservato direttamente il flusso di calore limitato tra materiali in condizioni così estreme.

Condotto dal fisico Thomas White dell’Università del Nevada, Reno, e dal suo ex dottorando Cameron Allen, lo studio si è concentrato sull’interfaccia tra metallo (tungsteno) e plastica sottoposti a calore e pressione intensi generati dai raggi X provenienti da fogli di rame riscaldati al laser.

“Comprendere come l’energia fluisce attraverso un confine è una questione fondamentale, e questo lavoro ci fornisce nuove informazioni su come ciò avviene negli ambienti eccezionalmente densi di energia che si trovano all’interno delle stelle e dei nuclei planetari”, ha osservato Jeremiah Williams, direttore del programma di fisica del plasma della National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti.

Durante l’esperimento, il filo di tungsteno ha raggiunto i 180.000 °F, mentre il rivestimento in plastica adiacente è rimasto relativamente “freddo” a circa 20.000 °F.

“Quando abbiamo esaminato i dati, siamo rimasti completamente scioccati perché il calore non fluiva tra questi materiali”, ha sottolineato White. “Rimaneva bloccato all’interfaccia tra i materiali e abbiamo trascorso molto tempo a cercare di capire perché”.

La resistenza termica interfacciale è il fattore chiave

Il team ha identificato la resistenza termica interfacciale come la causa principale di questo fenomeno.
Questo fenomeno, già noto per ostacolare il trasferimento di calore in ambienti meno estremi, sembra persistere e ostacolare in modo significativo il flusso di energia anche nelle condizioni estreme del plasma ad alta densità energetica.
“Gli elettroni nel materiale più caldo arrivano all’interfaccia tra i materiali trasportando energia termica, ma poi si disperdono e tornano nel materiale più caldo”, ha spiegato il comunicato stampa.

Ecco una rappresentazione del flusso di calore ad alte temperature:

Implicazioni tecnologiche più ampie

Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la ricerca dell’energia da fusione attraverso il confinamento inerziale, che si basa sui laser per comprimere e riscaldare il combustibile per avviare la fusione nucleare.

La comprensione del trasferimento di calore nei plasmi ad alta densità energetica è fondamentale anche per il progresso di altre tecnologie, tra cui i processi di incisione dei semiconduttori e la progettazione di veicoli in grado di volare a velocità ipersonica.

“I laboratori laser ad alta energia forniscono uno strumento essenziale per sviluppare una comprensione precisa di questi ambienti estremi, con implicazioni per un’ampia gamma di tecnologie importanti, dalla diagnostica medica alle applicazioni di sicurezza nazionale”, ha concluso Williams.

Questi aspetti della fisica erano ignoti sino  questo momento e la loro conoscenza viene ad aprire nuove frontiere per la realizzione della fusione nucleare efficiente dal punto di vista energetico. La minore diffusione rilevata in questo esperimento faciliterà il confinamento termico del plasma nei tokamak e negli altri sistemi di produzione della fusione nucleare.