Ondas sonoras para producir reacciones de fusión nuclear

Los nuevos experimentos han sido realizados por investigadores de la Universidad Purdue.

Un componente importante del experimento es una cámara de pruebas, de vidrio, del tamaño de dos tazones, llena de un líquido llamado acetona deuterada, que contiene una forma de hidrógeno conocida como deuterio, o hidrógeno pesado. Los investigadores expusieron la cámara de prueba a la acción de neutrones. Luego bombardearon el líquido con una frecuencia específica de ultrasonido, lo que causó la formación de cavidades en burbujas diminutas mediante el proceso conocido como cavitación. Las burbujas se expandieron hasta un tamaño mucho más grande antes de colapsar, al parecer con bastante fuerza como para causar reacciones de fusión termonuclear.Las reacciones de fusión emiten neutrones que caen dentro de un rango de energía específica de 2,5 megaelectronvoltios (MeV), que fue el nivel de energía visto en los neutrones producidos en el experimento. Los experimentos también dieron como producto un material radiactivo llamado tritio, que es otro isótopo de hidrógeno resultado de la fusión.Los dos rasgos clave para identificar una reacción de fusión son la emisión de neutrones en el rango de 2,5 MeV y la producción de tritio, ambos vistos en estos experimentos.No se percibieron los mismos resultados cuando los investigadores hicieron experimentos de control con acetona ordinaria, lo que proporciona evidencia estadísticamente significativa de la existencia de reacciones de fusión.El deuterio contiene un protón y un neutrón en su núcleo, mientras que el tritio contiene otro neutrón adicional. Por su parte, el hidrógeno normal contiene sólo un protón en su núcleo, sin neutrón alguno.

Los científicos han sabido durante mucho tiempo que las ondas sonoras de alta frecuencia conocidas como ultrasonido causan la formación de cavidades y burbujas en los líquidos, un proceso conocido como "cavitación acústica", y que esas cavidades colapsan, produciendo altas temperaturas y luz en un fenómeno llamado "sonoluminiscencia".Los reactores de fusión nuclear han requerido históricamente máquinas grandes y costosas. Pero los aparatos de cavitación acústica pueden construirse por una fracción de ese coste. Los investigadores han estimado que las temperaturas dentro de las burbujas colapsantes alcanzan los 10 millones de grados Celsius, y presiones comparables a mil millones de atmósferas.El desarrollo de un generador de fusión termonuclear de bajo costo ofrecería el potencial para una nueva fuente de energía, relativamente segura y poco contaminante. Mientras que los reactores de fisión nuclear convencionales generan productos de desecho que tardan miles de años en desintegrarse, los residuos de las centrales de fusión serían de muy corta vida, desintegrándose a niveles no peligrosos en una década o dos. Para la misma masa unitaria de combustible, una planta de energía por fusión produciría 10 veces más energía que un reactor de fisión, y, dado que el deuterio está contenido en el agua de mar, la fuente de suministro del combustible de un reactor de fusión sería virtualmente inagotable.

Fuente:http://www.solociencia.com/fisica/index.htm

La lámpara incandescente más pequeña del mundo

El equipo lo dirige Chris Regan, del Instituto de Nanosistemas de California, en la UCLA, e incluye a Yuwei Fan, Scott Singer y Ray Bergstrom.

La termodinámica, la "joya de la corona" de los físicos del siglo XIX, se aplica a los sistemas con muchas partículas.Por su parte, la mecánica cuántica, desarrollada en el siglo XX, funciona mejor cuando se trata de sistemas con sólo unas pocas partículas.El equipo de la UCLA está utilizando su pequeña lámpara para estudiar la ley de la radiación del cuerpo negro, desarrollada por el célebre físico Max Planck en el año 1900, utilizando principios que ahora se consideran propios de ambas teorías.

La lámpara incandescente utiliza un filamento confeccionado con un único nanotubo de carbono que sólo tiene 100 átomos de ancho. A simple vista, el filamento resulta completamente invisible cuando la lámpara está apagada, pero parece un diminuto punto de luz cuando está encendida. Incluso con el mejor microscopio óptico, lo único que se puede determinar es que el tamaño del nanotubo es superior a cero. Para tener una idea de la verdadera estructura del filamento, el equipo utiliza un microscopio electrónico con resolución atómica.

Con menos de 20 millones de átomos, el filamento de nanotubo es lo bastante grande como para aplicarle las suposiciones estadísticas de la termodinámica, y lo suficientemente pequeño como para ser considerado un sistema molecular, o sea un sistema propio de la mecánica cuántica.

Ruptura de simetría en física

El trabajo, liderado por los investigadores Daniel Dagnino y Nuria Barberán, del Departamento de Estructura y Constituyentes de la Materia de la Facultad de Física de la UB, describe por primera vez el estado superfluido en la transición (una superposición de estado con y sin vertices) Aunque el concepto de simetría parece ser mejor conocido, los fenómenos emergentes por la ruptura de simetrías son comunes en el mundo de la física. Por ejemplo, la expansión del universo después del Big Bang -la gran explosión que daría origen al universo- fue un ejemplo de este proceso. En la actualidad, los mecanismos de ruptura de simetrías son una de las áreas de estudio más activas de la física a nivel internacional."La ruptura de simetría puede observarse en cualquier sistema donde el estado de mínima energía esté degenerado", comenta Daniel Dagnino, estudiante de doctorado y primer autor del estudio. "Los fenómenos que los provocan pueden ser diversos. Cuando se dan en sistemas degenerados, son rupturas espontáneas de simetría. Es el caso de los ferromagnetos, que son sistemas invariantes bajo rotaciones de todos los spins. Por debajo de la temperatura de Curie, este sistema rompe la simetría, escogiendo una dirección en que se orientan el spins, y es esta rotura laque da lugar a la magnetización. En otros sistemas, sin embargo, la ruptura es el resultado de pequeñas perturbaciones del sistema: es la ruptura de simetría provocada".En el artículo, el equipo científico ha estudiado este proceso en la nucleación de vórtices (o momento de inicio de un cambio de estado en una región pequeña pero estable). La ruptura de la simetría en la nucleación se ha estudiado en un conjunto bidimensional de átomos neutros, sin spin, que interaccionan de forma repulsiva y a cortas distancias. Este conjunto de átomos se encuentra atrapado mediante la aplicación de un campo magnético que forma un pozo parabólico ligeramente deformado y que permite hacer girar el sistema en torno a un eje. El giro permite añadir un momento angular al conjunto de átomos. Esto es lo que precisamente provoca la formación del primer vórtice, haciendo que el sistema evolucione desde un estado en reposo a un estado de un vórtice, pasando por un estado precursor de la nucleación en el que se rompe la simetría de paridad.Desde el descubrimiento de la superfluidez, el estudio de la nucleación de vórtices ha llamado la atención de la comunidad científica internacional. "En la investigación publicada en el Nature Physics, nuestro objetivo era estudiar las rupturas de simetría y una de ellas se da durante el proceso de nucleación", comenta Daniel Dagnino. "El modelo con el que trabajamos proporciona un instrumento teórico para medir las características de nuestro sistema. Además, los resultados son aplicables a un amplio abanico de sistemas cuánticos débilmente interactuantes. El hecho de que exista una región donde el sistema se encuentra altamente correlacionado hace que la teoría de campo medio, que es la forma habitual de estudiar los sistemas condensados, no sea aplicable. La teoría de campo medio predice inestabilidades dinámicas que no reflejan la realidad del fenómeno".Descubrir métodos más potentes para estudiar sistemas muy correlacionados y delimitar con más precisión la aplicación de las ecuaciones de campo medio a sistemas cuánticos son algunos de los objetivos de futuras líneas de investigación en este ámbito del conocimiento. "Los estados altamente correlacionados son también de gran interés para estudiar la información cuántica.

Fuentes:http://www.solociencia.com/fisica/09061606.htm

El coche que vencerá al sonido

El encargado de coordinar todo el proyecto, denominado Bloodhound-SSC (SuperSonic Car, o coche supersónico), para que se haga realidad en el año 2011 es Richard Noble, quien ya batió el récord en 1997, cuando lo estableció en 1.227 kilómetros por hora (km/h). El nuevo vehículo, con una longitud de 12,8 metros y un peso de 6.422 kilos, será completamente innovador. El diseño minimiza la resistencia del aire y el sistema inteligente de suspensión le permitirá volar sobre la superficie irregular del desierto. Las ruedas traseras parecen de ciencia ficción. Se han protegido para resistir el impacto del aire y se han equipado con sistemas que reducen la pérdida de energía.

El objetivo de todo ello es que los jóvenes se acerquen a la ciencia desde una perspectiva lúdica. «Si alcanzamos los 1.609 km/h, pero no conseguimos que crezca el interés por la ciencia y la ingeniería, habremos fracasado», afirma Richard Noble, quien desvela que los estudiantes tomarán parte en la aventura y que más de 1.000 organizaciones aprovecharán el proyecto para inspirar a los jóvenes a través de un programa educativo.

Pero detrás del proyecto hay mucho más. Para lograr el récord se está diseñando un conjunto de propulsores para que generen una fuerza de unos 21.300 kilos, necesaria para alcanzar la velocidad deseada, una velocidad un 30% más alta que la conseguida jamás por ningún coche. «Tenemos tres tipos de motores en el BloodhoundSSC», confirman a Público los portavoces del proyecto. «Uno es un jet alimentado con keroseno, el mismo que utiliza el Eurojet Typhoon, que sirve para que el coche pase de 0 a 482 km/h; un cohete que lo impulse hasta los 1.609 km/h y un motor V12 de competición de 800 caballos y alimentado por gasolina que se encarga de suministrar al cohete una tonelada de peróxido de hidrógeno (HTP) para que pueda quemar el combustible sólido en su interior».

Todo este proceso se debe realizar en un tiempo de 40 segundos y en un paraje desértico. «El lugar para batir el récord de velocidad aún no se ha decidido; estamos en el proceso de selección entre desiertos de Australia, Suráfrica y Estados Unidos». De momento, como confirma Richard Noble, «la intención es superar la barrera de los 1.287 km/h en 2010 y, si el coche no da problemas, sobrepasar los 1.600 km/h en 2011».

Pero la aventura no está exenta de dificultades. Los responsables del proyecto que cuenta con la financiación del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología del Reino Unido y la participación de un equipo de la Universidad de Swansea se lamentan de que el problema de diseñar un coche así es que no existen túneles de viento capaces de simular esas velocidades. Por eso, el diseño se ha hecho por ordenador simulando la respuesta aerodinámica del vehículo.

«Es el tipo de experimento que tradicionalmente los ingenieros aeroespaciales habrían llevado a cabo en un túnel de viento, pero nosotros lo hacemos en un superordenador», comenta Ben Evans, uno de los investigadores. «Los túneles de viento presentan limitaciones importantes, y el Bloodhound es un coche, así que se desliza por el suelo y no existen túneles de viento en los que sea posible simular el desplazamiento de un vehículo por un terreno ondulado a una velocidad superior a la del sonido», añade.

Viaje a lo desconocido

Además, los ingenieros también reconocen que este proyecto es un viaje a lo desconocido, científicamente hablando, porque «nadie ha intentado superar los 1.228 km/h, por lo que ir un 30% más deprisa puede tener resultados impredecibles. De hecho, a medida que avanzamos en el proyecto, obtenemos respuestas a preguntas que desconocíamos». Evans señala que «una vez que superas la velocidad del sonido lo que sucede es que enfrente se genera un enorme muro de presión, y ese aire no se aparta de manera lenta y suave. El problema es que esta inter-acción no la explica el funcionamiento estándar de la dinámica computacional de fluidos».

El hecho es que el Bloodhound servirá en un futuro para desarrollar mejoras en los vehículos terrestres y aeronaves, así como aumentar la eficiencia de los combustibles. «No sabremos de dónde vendrán los próximos descubrimientos si no exprimimos hasta el límite la tecnología que tenemos en la actualidad. Ya estamos exprimiendo los límites de los procesos de fabricación y de los materiales composites».

De momento, el trabajo del equipo de investigadores ha servido para mejorar el diseño aerodinámico de unas innovadoras ruedas de titanio que soportan una presión de 50.000 G (nosotros soportamos 1 G), así como para perfeccionar la entrada de aire y una serie de detalles necesarios para que el espectacular morro del coche minimice el efecto de arrastre (spray drag) que producen las partículas de arena del desierto.

Crean un mapa tridimensional de la capa de hielo subterránea de la Antártida

Equipados con un radar, científicos de la British Antartic Survey (BAS), una institución británica dedicada al estudio del «continente blanco», y de la Universidad de Durham (al norte de Inglaterra), han dado un paso más en el estudio de la capa subterránea de hielo de la Antártida, que alberga a dos kilómetros bajo tierra un «río de hielo» diez veces más ancho que el Rhin.

La investigación se llevó a cabo en la zona oeste de la Antártida, en la corriente de hielo Rutford, compuesta por una mezcla de agua y sedimentos que fluyen bajo el hielo formando «crestas y surcos» que controlan el flujo de hielo que termina en el océano.

La corriente Rutford tiene unos 150 kilómetros de longitud, 25 kilómetros de ancho y un grosor de entre dos y tres kilómetros.

Las corrientes de hielo son similares a ríos gigantescos de hielo a través de los cuales el hielo de la capa antártica se traslada hacia el mar, formando grandes cadenas de hielo flotante.

La investigación de estos flujos es clave para predecir la evolución de la capa de hielo antártica y su influencia en el aumento del nivel del mar en el futuro.