نیوزویز – در مرکز بهشت تحقیقاتی نیوجرسی، یک ابتکار جدید در محوطه دانشگاهی که به مطالعه فضای داخلی در حال جوش ستارگان اختصاص دارد، در حال ظهور است. زیر نظر مهندس ارشد یوهو جیآزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در حال ساخت تاسیسات جدید آزمایش آهنربای میدان بالا خود است که آهنرباهای قدرتمندی را برای آزمایش های علمی در اختیار محققان دانشگاه PPPL و پرینستون و همچنین شرکت های خصوصی در امتداد میانه قرار می دهد. ساحل اقیانوس اطلس.
آزمایشگاه مغناطیسی جدید آهنرباهای الکترومغناطیسی تولید می کند که میدان های مغناطیسی از سه تا پنج تسلا و بیشتر تولید می کنند. برای درک اینکه چقدر این آهنرباها قوی هستند، در نظر بگیرید که میدان مغناطیسی فقط یک تسلا 20000 برابر قویتر از قدرت میدان مغناطیسی زمین در سطح آن است. تحقیقات آزمایشگاه مغناطیسی می تواند به آهنرباهای قوی تر، کارآمدتر و مقرون به صرفه تر برای دستگاه های دونات شکل معروف به توکامک منجر شود. حد پلاسما، حالت باردار الکتریکی ماده متشکل از الکترون ها و اتم ها هسته ها. دانشمندان از سراسر جهان در تلاش برای استفاده از پلاسما مهار کردن سنتزفرآیندی که انرژی خورشید و ستارگان را برای تولید برق بدون تولید گازهای گلخانه ای یا زباله های رادیواکتیو با عمر طولانی فراهم می کند.
آهنرباهای ویژه برای پروژه های خاص
برخلاف آهنرباهای دائمی که هنر را در یخچال نگه می دارند، آهنرباهای الکتریکی خواص خود را از جریان الکتریسیته از طریق سیم ها به دست می آورند. چنین آهنرباهایی معمولاً به مواد عجیب و غریبی به نام ابررساناها نیاز دارند که وقتی با هلیوم مایع تا دمای صدها درجه زیر صفر خنک شوند، الکتریسیته را بهتر هدایت می کنند. به جای استفاده از این تکنیک، ژای و همکارانش قصد دارند ابررساناها را با استفاده از تکنیک پیشرفته‌تری به نام خنک‌سازی رسانا خنک کنند، که متکی بر انتقال گرما از یک جسم با قرار دادن آن در تماس مستقیم با جسم دیگر است. این آهنرباها همچنین دارای تونل‌ها یا دهانه‌های مرکزی بزرگی به قطر 2.5 فوت خواهند بود که به دانشمندان اجازه می‌دهد از کاوشگرهای بزرگ‌تر در تحقیقات خود استفاده کنند و عموماً به محققان دسترسی آسان‌تری به میدان‌های مغناطیسی قوی برای آزمایش‌های خود می‌دهند.
جی گفت: «از اینکه مرکز آزمایش آهنربای میدان بالا اکنون باز است، هیجان زده هستم. “این لحظه واقعاً مهمی برای PPPL است.”
جستجو برای فضای پنهان
یکی از اولین پروژه های آزمایشگاه آهنربا شامل ساخت آهنربایی برای دستگاه دانشگاه پرینستون بود که فرضیه ای را در مورد ماهیت بنیادی آزمایش می کرد. ماده تاریک، چیزهای عجیبی که برای حواس و ابزار انسان نامرئی است که می تواند حدود 25 درصد از جهان را تشکیل دهد. (انرژی تاریک اسرارآمیز 70% و ماده معمولی 5% باقیمانده را تشکیل می دهد.) محققان به دنبال ذرات ریز و ناشناخته ای به نام “اکسیون ها” هستند.
آهنربای PPPL که برای این دستگاه ساخته می‌شود و به عنوان جستجوی پرینستون اکسیون (PXS) شناخته می‌شود، میدانی در حدود پنج تسلا تولید می‌کند و دیافراگمی به قطر کمتر از سه فوت دارد. PXS توسط پروفسور فیزیک دانشگاه پرینستون، Lyman A. Page Jr. و دانشیار محقق Saptarshi Chaudhuri هدایت می شود. پیج گفت: «ما مشتاقانه منتظر همکاری با گروه Yuhu در PPPL هستیم تا آهنربا برای PXS بسازیم. “طراحی آن یکی از دو بخش اصلی آزمایش است و من مطمئن هستم که کلید موفقیت این پیشنهاد است.”
PXS یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می کند که آکسیون ها را به فوتون تبدیل می کند، ذرات تشکیل دهنده نور. هدف دانشمندان پرینستون تشخیص این نور با استفاده از تجهیزات پیچیده است که به طور غیرمستقیم فرضیه اکسیون را تایید می کند. همراه با آهنربای ساخته شده با PPPL، PXS شامل آشکارسازهای نور، رایانه هایی است که داده ها را تجزیه و تحلیل می کنند و یک ظرف بزرگ که همه عناصر را در خود نگه می دارد و دمای پایین لازم برای عملکرد صحیح تجهیزات را حفظ می کند. چاودهوری گفت: “ما دوست داریم PXS را در سه یا چهار سال دیگر راه اندازی کنیم و سپس برای سه یا چهار سال دیگر اجرا کنیم، در حالی که به طور مداوم داده ها را جمع آوری می کنیم و مقالات را منتشر می کنیم.”
شناسایی اکسیون ها تا حدی به دلیل تعداد تقریباً غیرقابل تصور کمی که درگیر هستند دشوار خواهد بود. تصور می‌شود که اکسیون‌ها میلیون‌ها میلیارد بار کوچک‌تر از پروتون، یکی از ذرات تشکیل‌دهنده مرکز اتم، دارند و نوری که هنگام برخورد یک اکسیون با میدان مغناطیسی تولید می‌شود، می‌تواند چهار سپتیلیون بار ضعیف‌تر از آن باشد. یک لامپ معمولی چاودوری گفت: «این مقادیر فوق‌العاده کوچک هستند، اما پیشرفت‌های تکنولوژیکی اخیر تشخیص نور آکسیون را ممکن می‌سازد.
گسترش قابلیت ها و پورتفولیو
موفقیت از ماده تاریک پروژه آهنربا هم برای قابلیت های مهندسی PPPL و هم برای مجموعه تحقیقاتی آن پیامدهایی خواهد داشت. جی گفت: «این نشان می‌دهد که PPPL می‌تواند از پروژه‌های داخلی و خارجی پشتیبانی کند و همچنین نقشی در دنیای فیزیک ذرات پرانرژی در مرز فضا ایفا کند. همچنین نشان می‌دهد که می‌توانیم آهنرباهایی بسازیم که به اندازه کافی قوی باشند تا پایه‌ای برای دستگاه‌های همجوشی دوناتی شکل آینده به نام توکامکس، شاید حتی برای نیروگاه های نمایشی همجوشی آینده به اندازه کافی قوی باشد. زمان واقعاً هیجان انگیزی است.”
***
PPPL در حال تسلط بر هنر استفاده از پلاسما – حالت چهارم ماده – برای حل برخی از سخت ترین چالش های علم و فناوری جهان است. تحقیقات ما واقع در پردیس Forrestal دانشگاه پرینستون در Plainsboro، نیوجرسی، به نوآوری در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله انرژی همجوشی، تولید در مقیاس نانو، مواد و دستگاه‌های کوانتومی، و علم پایداری دامن می‌زند. این دانشگاه آزمایشگاهی را برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده، که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در کشور است، اداره می کند. گرما را در https://energy.gov/science و http://www.pppl.gov.