Otprilike 20 godina profesor primenjene fizike sa Kalteha Pol Belan i njegova grupa stvaraju magnetno ubrzane mlazove plazme, električno provodnog gasa sastavljenog od jona i elektrona, u vakuumskoj komori dovoljno velikoj da zadrži osobu. (Neonske reklame i munje su svakodnevni primeri plazme).
U toj vakuum komori, pramenovi gasa se jonizuju sa nekoliko hiljada volti. Zatim 100.000 ampera protiče kroz plazmu, proizvodeći jaka magnetna polja koja oblikuju plazmu u mlaz koji putuje oko 10 milja u sekundi. Snimci velike brzine pokazuju da mlaz prelazi kroz nekoliko različitih faza za nekoliko desetina mikrosekundi.
Belan kaže da plazma mlaz izgleda kao kišobran koji raste u dužinu. Kada dužina dostigne jednu ili dve stope, mlaz prolazi kroz nestabilnost zbog čega se transformiše u vadičep koji se brzo širi. Ovo brzo širenje pokreće drugačiju, bržu nestabilnost koja stvara talase.
„Vrebanje guši električnu struju mlaznjaka od 100 kiloampera, slično kao što stavljanje palca preko creva za vodu ograničava protok i stvara gradijent pritiska koji ubrzava vodu“, kaže Belan. „Gušenje struje mlaza stvara električno polje dovoljno jako da ubrza elektrone do visoke energije.“
Ti visokoenergetski elektroni su prethodno identifikovani u mlaznom eksperimentu rendgenskim zracima koje generišu, a Belan kaže da je njihovo prisustvo bilo iznenađenje. To je zato što konvencionalno shvatanje kaže da je mlazna plazma bila previše hladna da bi se elektroni mogli ubrzati do visoke energije. Imajte na umu da je „hladno“ relativan pojam: iako je ova plazma imala temperaturu od oko 20.000 Kelvina (35.500°F) — daleko topliju od bilo čega sa čime se ljudi obično susreću — ona nije ni blizu temperature sunčeve korone, koja je veća od 1 miliona Kelvina (1,8 miliona stepeni F).
„Dakle, pitanje je: ‘Zašto vidimo rendgenske zrake?'“, kaže on.
Smatralo se da hladne plazme nisu u stanju da generišu elektrone visoke energije jer su previše „sudarne“, što znači da elektron ne može da putuje daleko pre nego što se sudari sa drugom česticom. To je kao da vozač pokušava da provuče trku kroz zastoj autoputa. Vozač bi mogao da pritisne gas, ali bi prešao samo nekoliko stopa pre nego što bi udario u drugi automobil. U slučaju hladne plazme, elektron bi ubrzao samo oko jedan mikron pre nego što bi se sudario i usporio.
Prvi pokušaj Bellan grupe da objasni ovaj fenomen bio je model koji sugeriše da neki deo elektrona uspeva da izbegne sudar sa drugim česticama tokom prvog mikrona putovanja. Prema teoriji, to je omogućilo elektronima da ubrzaju do nešto veće brzine, a kada krenu brže, mogli su da putuju samo malo dalje pre nego što naiđu na drugu česticu sa kojom bi se mogli sudariti.
Neki deo ovih sada bržih elektrona bi ponovo izbegao sudar neko vreme, omogućavajući im da postignu još veću brzinu, što bi im omogućilo da putuju još dalje, stvarajući pozitivnu povratnu petlju koja bi omogućila nekoliko srećnih elektrona da odu dalje i brže, postižući velike brzine i velike energije.
Ali iako ubedljiva, teorija je bila pogrešna, kaže Belan.
„Shvatilo se da ovaj argument ima manu“, kaže on, „zato što se elektroni zapravo ne sudaraju u smislu da udaraju u nešto ili da ne udaraju u nešto. kao što je elektron koji se sudara ili ne sudara.“
Ipak, visokoenergetski elektroni se pojavljuju u hladnoj plazmi mlaznog eksperimenta. Da bi otkrio zašto, Belan je razvio kompjuterski kod koji je izračunao dejstva 5.000 elektrona i 5.000 jona koji se neprekidno odbijaju jedan od drugog u električnom polju. Da bi ustanovio kako je nekoliko elektrona uspelo da dostigne visoke energije, podesio je parametre i posmatrao kako se ponašanje elektrona menja.
Kako se elektroni ubrzavaju u električnom polju, oni prolaze blizu jona, ali ih zapravo nikada ne dodiruju. Povremeno, elektron prođe tako blizu jona da prenosi energiju na elektron vezan za jon i usporava, a sada „pobuđeni“ jon zrači vidljivom svetlošću. Pošto elektroni samo povremeno prolaze tako blizu, obično se samo malo odklone od jona bez da ga pobuđuju. Ovo povremeno curenje energije se dešava u većini elektrona, što znači da oni nikada ne postižu visoke energije.
Kada je Belan podesio svoju simulaciju, pojavilo se nekoliko visokoenergetskih elektrona sposobnih da stvore rendgenske zrake. „Nekolicina srećnika koji nikada ne priđu dovoljno blizu jonu da ga uzbude nikada ne gube energiju“, dodaje on. „Ovi elektroni se neprekidno ubrzavaju u električnom polju i na kraju postižu dovoljnu energiju za proizvodnju rendgenskih zraka.“
Belan kaže da ako se ovo ponašanje dogodi u plazma mlazu u njegovoj laboratoriji Kalteha, to se verovatno dešava iu solarnim baklji i astrofizičkim situacijama. Ovo takođe može objasniti zašto se neočekivano visokoenergetski rendgenski zraci ponekad vide tokom eksperimenata fuzione energije.
„Postoji duga istorija ljudi koji su videli stvari za koje su mislili da su korisna fuzija“, kaže on. „Ispostavilo se da je to bila fuzija, ali nije bila baš korisna. Bila su to intenzivna prolazna električna polja proizvedena nestabilnostima koje ubrzavaju nekoliko čestica do ekstremno visoke energije. Ovo možda objašnjava šta se dešava. To nije ono što ljudi žele, ali verovatno je to ono što se dešava.“
Rad koji opisuje rad „Energetska proizvodnja repa elektrona iz binarnih susreta diskretnih elektrona i jona u pod-Drajcerovom električnom polju“ objavljen je u izdanju Phisics of Plasmas od 20. oktobra i predstavljen je 3. novembra na 65. godišnjem sastanku Odeljenja za fiziku plazme Američkog fizičkog društva u Denveru, Kolorado.
