Efecto del campo magnético cuántico

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Una nueva y potente forma de controlar la emisión de rayos X

El efecto de campo magnético cuántico es importante en el trabajo de LPPF, porque nos permite controlar el calor de los electrones en el plasma y, por tanto, la cantidad de energía de rayos X que se emite, así como la energía que lleva cada fotón de rayos X. Al suprimir la transferencia de energía de los iones, que generan la energía de fusión nuclear, a los electrones, que emiten rayos X, podemos reducir la cantidad de energía que pierden los rayos X en el plasma, y así calentar más el plasma y obtener más energía de fusión.

El efecto sólo funciona en campos extremadamente altos, miles de millones de veces el campo magnético de la Tierra, pero el DPF puede alcanzar campos tan altos. Véase el documento técnico aquí.

Aquí se explica cómo funciona:

Para entender cómo funciona el efecto magnético, es importante observar primero cómo los iones calientan a los electrones en el plasma. Por razones mecánicas fundamentales, una partícula sólo puede impartir energía a las partículas que viajan más lentamente que ella. Una forma sencilla de ver esto es imaginar dos corredores, uno gordo (el ion) y otro flaco (el electrón). Si el electrón corre más rápido, puede alcanzar al ion y darle un empujón, aumentando la energía del ion. Pero si el ion corre más rápido, puede darle un empujón al electrón, aumentando la energía del corredor flaco. En cualquier caso, la partícula más rápida cede energía a la más lenta. Esto ocurre incluso si la partícula más lenta tiene mucha más energía al principio debido a su masa mayor. Dado que los iones tienen al menos 1.836 veces más masa que los electrones, los iones que se mueven más lentamente suelen tener mucha más energía que los electrones, pero si los electrones se mueven más rápido, los iones ganan aún más energía a costa de los electrones.

Sin embargo, en plasma sin un campo magnético fuerte, siempre hay unos pocos electrones que se mueven aleatoriamente más despacio que los iones. Los iones ceden energía a esos electrones, que luego se mezclan con el resto. Así, en el «plasma normal», la energía se iguala y los iones y los electrones acaban a la misma temperatura, con el ion medio moviéndose mucho más lentamente que el electrón medio, pero más rápido que algunos electrones.

Un campo magnético potente, de más de varios miles de millones de gauss (varios miles de millones de veces el campo magnético de la Tierra) cambia esta situación. En cualquier campo magnético, un electrón se mueve en una órbita helicoidal alrededor de la dirección de la línea del campo magnético. El tamaño de la órbita, el girorradio, es menor para velocidades de electrones más bajas y para campos magnéticos MÁS ALTOS. Pero la mecánica cuántica dicta que asociada a cada electrón hay una onda, que se alarga a medida que la velocidad del electrón disminuye. Un electrón sólo puede ser localizado en una longitud de onda, y no dentro de un volumen más pequeño.

En un momento determinado, el girorradio se reduce al mismo tamaño que la longitud de onda del electrón. No puede reducirse más. Por tanto, para un campo magnético determinado, existe una velocidad mínima que un electrón puede tener al orbitar la línea del campo magnético. Una velocidad menor haría que su girorradio fuera menor que su longitud de onda, lo cual es imposible.

Debido a este efecto mecánico cuántico del campo magnético, hay un momento mínimo que debe ser transmitido a un electrón para aumentar su energía. Esto significa, a su vez, que el ion debe tener una velocidad mínima determinada para transmitir este impulso al electrón.

Así, en lugar de que los iones tengan que moverse más rápido que algunos electrones, tienen que moverse más rápido que esta velocidad mínima, que depende de la intensidad del campo magnético. Si el campo es lo suficientemente fuerte, muy pocos de los iones tendrán esta velocidad mínima, por lo que la transferencia de energía al electrón será muy ineficiente. Por otro lado, los electrones rápidos que pueden calentar los iones tendrán todos más, en promedio mucho más, que esta velocidad mínima, por lo que calentarán los iones de manera eficiente.

Debido a que pierden energía de forma más eficiente que la que ganan, los electrones son mucho más fríos que los iones. Pero como la emisión de rayos X aumenta con la temperatura, los electrones más fríos conducen a un enfriamiento mucho menor de los rayos X. Así, controlando el campo magnético, podemos controlar la emisión de energía de los rayos X.

Los efectos de los campos magnéticos en las colisiones entre iones y electrones se estudian desde hace tiempo. El investigador de Oak Ridge J. Rand McNally lo señaló por primera vez en la década de 1970 en una forma no mecánica cuántica. Más recientemente, los astrónomos que estudian las estrellas de neutrones, que tienen potentes campos magnéticos, observaron la forma mecánica cuántica del efecto, que es mucho mayor. Sin embargo, Lerner fue el primero en señalar, en 2003, que este efecto cuántico tendría un gran impacto en el enfoque de plasma, donde son posibles campos magnéticos tan fuertes. Los experimentos ya han demostrado campos de 0,4 giga gauss, y los DPF con electrodos más pequeños y campos magnéticos iniciales más fuertes pueden alcanzar hasta 5 gigagauss, calcula Lerner. Esto debería ser posible en la próxima ronda de experimentos de LPPF.

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