Учёные расплавили алмаз и раскрыли тайну ледяных гигантов

В недрах Нептуна и Урана происходит нечто удивительное. Там, под толщей водорода и гелия, при чудовищном давлении и температуре, буквально идут алмазные дожди. И впервые учёные смогли воспроизвести этот процесс в лаборатории. Они расплавили алмаз и попутно разгадали две научные загадки. Эти тайны мучили физиков почти двадцать лет [1].

Новое исследование опубликовано в престижном журнале Nature Physics. Его провела группа физиков из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) [3]. Их работа не только разрешила давний спор о температуре плавления алмаза. Кроме того, она указала путь к значительному прорыву в области термоядерного синтеза [2].

Как учёные расплавили алмаз

Эксперимент был крайне сложным. Исследователи использовали мощный лазерный комплекс Omega в Рочестерском университете [6]. Они направили лазерный импульс на крошечный образец алмаза. Внешний слой мгновенно испарился. Это создало ударную волну, которая пронеслась через остальную часть кристалла [5].

В тот миг внутри алмаза возникли условия, которые невозможно встретить на Земле. Давление было более чем в три раза выше, чем в центре нашей планеты. Температура сравнялась с температурой поверхности Солнца [4]. При этом учёные с помощью сверхбыстрой рентгеновской дифракции отслеживали изменения атомной структуры алмаза [3]. Весь процесс длился всего одну миллиардную долю секунды.

Разгадка двадцатилетней тайны

Этот эксперимент позволил разрешить давний научный спор. Первые опыты по плавлению алмаза были проведены около двадцати лет назад. Однако их результаты по температуре плавления расходились с компьютерными моделями. Эти модели были основаны на квантовой механике. Расхождение составляло примерно 20%. Это соответствовало разнице более чем в 1000 Кельвинов. Учёные долго не могли понять, где кроется ошибка.

Новые данные с высокой точностью измерили температуру плавления. Они подтвердили, что теоретические расчёты были верны. Расхождение объяснялось несовершенством старых измерительных методик [6]. «Было обидно узнать, что наши первоначальные измерения температуры были ошибочны более чем на 1000 градусов, — признался Джон Эггерт, один из авторов исследования. — Однако захватывающе видеть такое драматическое улучшение качества данных с помощью нашей новой диагностики» [5].

Более того, учёные обнаружили нечто неожиданное. Вопреки некоторым ранним предположениям, алмаз не превращался в промежуточную кристаллическую структуру перед плавлением. «Мы думаем, это потому, что у образца просто нет времени на перестройку, — пояснил ведущий автор исследования Мариус Милло. — Когда он испытывает одиночный удар, он остаётся «запертым» в алмазной структуре» [1]. Это наблюдение крайне важно для понимания поведения материалов в экстремальных условиях.

Тайна алмазных дождей

Однако самый интересный результат касается не физики плавления. Он относится к планетологии. Исследователи подтвердили удивительный факт. В условиях высокого давления твёрдый алмаз оказывается менее плотным, чем жидкий металлический углерод, в который он плавится [3].

Это делает его похожим на лёд, который плавает в воде. Представьте себе алмаз, плавающий в океане из жидкого углерода! Эта странная особенность объясняет феномен «алмазных дождей» в недрах ледяных гигантов [7]. Когда температура и давление достигают критической точки, углерод конденсируется в твёрдые алмазы. Затем они медленно опускаются к ядру планеты.

Трение от падения этих алмазных кристаллов выделяет колоссальное количество тепла. Считается, что это один из основных источников избыточной энергии, излучаемой Нептуном в космос [8]. Теперь у учёных есть экспериментальные данные о температурах и давлениях, при которых происходит это захватывающее явление [1].

Тройная выгода для термоядерной энергетики

У этого фундаментального открытия есть и сугубо практическое применение. Оно касается земных технологий. LLNL является домом для Национального завода по зажиганию (NIF). Там учёные пытаются достичь термоядерного синтеза с помощью инерциального удержания [9]. В этих экспериментах крошечная капсула с топливом заключается в оболочку из алмаза. На неё воздействуют мощнейшие лазеры.

Новое исследование показало: для полного и равномерного расплавления алмазной оболочки не требуется настолько мощный первоначальный удар. Более «мягкий» первый удар позволяет алмазу расплавиться более эффективно. Кроме того, само топливо внутри становится более сжимаемым. По расчётам учёных, это может увеличить выход энергии термоядерной реакции в три раза. И всё это при использовании той же мощности лазера [7].

Однако даже это трёхкратное увеличение пока не позволяет преодолеть порог «инженерной безубыточности». Строить коммерческую электростанцию ещё рано. Тем не менее, этот шаг крайне важен для развития всей области управляемого термоядерного синтеза [6].

---

Список источников

1. Universe Today. Scientists Melted A Diamond and Cracked a Secret of Ice Giants (Автор: Andy Tomaswick)
2. PravdaReport. How diamond rain occurs inside ice giants like Neptune
3. LLNL. Melting Diamond Could Unlock Triple Fusion Gain and the Secrets of Ice-Giant Planets
4. LLNL. Melting diamond could unlock triple fusion gain and the secrets of ice-giant planets
5. ScienceAlert. Scientists Melted a Diamond, And It Really Didn’t Go The Way They Expected
6. Gizmodo. Scientists Recreate the Melting ‘Diamond Rain’ of Neptune and Uranus. It May Help Fusion Power
7. ARY News. Diamond melting mystery solved in new fusion energy study
8. Universe Space Tech. Physicists melted a diamond and confirmed the carbon density paradox
9. Interesting Engineering. Diamond melting breakthrough could deliver 3x energy gain in fusion