Cercetătorii au descris hidrogenul cald și dens din interiorul planetelor

Descoperirea proprietăților sistemelor cuantice care sunt alcătuite din mai multe particule care interacționează reprezintă încă o provocare uriașă.

Deși ecuațiile matematice de bază sunt cunoscute de mult timp, acestea sunt prea complexe pentru a fi rezolvate în practică. Spargerea acestei bariere ar duce, cel mai probabil, la o multitudine de noi descoperiri și aplicații în fizică, chimie și științele materialelor.

• Câte grame de nuci este bine să mănânci zilnic pentru a preveni demența?
• Expunerea zilnică la frig extrem poate îmbunătăți calitatea somnului

Cercetătorii de la Centrul pentru înțelegerea sistemelor avansate (CASUS) de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) au făcut acum un pas important, descriind așa-numitul hidrogen dens cald – hidrogenul în condiții extreme, cum ar fi presiunile ridicate – mai precis ca niciodată. Lucrarea lor este publicată în Physical Review Letters.

Abordarea oamenilor de știință, bazată pe o metodă care utilizează numere aleatoare, poate rezolva pentru prima dată dinamica cuantică fundamentală a electronilor implicați atunci când mulți atomi de hidrogen interacționează în condițiile întâlnite, de exemplu, în interiorul planetelor sau în reactoarele de fuziune, scrie Phys.org.

Hidrogenul este cel mai abundent element din Univers

Hidrogenul este combustibilul care alimentează stelele, inclusiv Soarele nostru, și constituie interiorul planetelor, cum ar fi gigantul gazos Jupiter din Sistemul nostru Solar. Cea mai comună formă a hidrogenului din Univers nu este gazul incolor și inodor, nici moleculele care conțin hidrogen, cum ar fi apa, care sunt bine cunoscute pe Pământ.

Este hidrogenul cald și dens al stelelor și planetelor – hidrogen extrem de comprimat – care, în anumite cazuri, conduce electricitatea la fel ca și metalele. Cercetările privind materia densă caldă se concentrează asupra materiei în condiții precum temperaturi sau presiuni foarte ridicate, care se găsesc în mod obișnuit peste tot în Univers, cu excepția suprafeței Pământului, unde acestea nu apar în mod natural.

Încercând să elucideze caracteristicile hidrogenului și ale altor materii în condiții extreme, oamenii de știință se bazează foarte mult pe simulări. Una dintre acestea, utilizată pe scară largă, se numește teoria funcțională a densității (DFT).

În ciuda succesului său, aceasta nu a reușit să descrie hidrogenul dens cald. Motivul principal este că simulările exacte necesită cunoștințe precise despre interacțiunea electronilor în hidrogenul dens cald.

Metode de simulare și limitele acestora

Dar aceste cunoștințe lipsesc, iar oamenii de știință trebuie să se bazeze în continuare pe aproximări ale acestei interacțiuni, ceea ce duce la rezultate inexacte ale simulărilor.

Din cauza acestui deficit de cunoștințe, nu este posibilă, de exemplu, simularea exactă a fazei de încălzire a reacțiilor de fuziune prin confinare inerțială (ICF). Eliminarea acestui obstacol ar putea face să progreseze în mod semnificativ ICF, una dintre cele două ramuri majore ale cercetării în domeniul energiei de fuziune, pentru a deveni în viitor o tehnologie relevantă de generare a energiei cu zero emisii de carbon.

În noua publicație, autorul principal Maximilian Böhme, arată pentru prima dată că proprietățile hidrogenului dens cald pot fi descrise foarte precis cu așa-numitele simulări Quantum Monte Carlo (QMC).

„Metoda noastră nu se bazează pe aproximările de care au suferit abordările anterioare. În schimb, ea calculează direct dinamica cuantică fundamentală și, prin urmare, este foarte precisă. Cu toate acestea, când vine vorba de scară, abordarea noastră are limitele sale, deoarece este intensă din punct de vedere computațional. Chiar dacă ne bazăm pe cele mai mari supercomputere, până acum putem gestiona doar numere de particule de două cifre.”

Vă recomandăm să mai citiți și:

Formarea planetelor în Sistemul Solar ar fi început mult mai devreme decât se credea

Migrația planetară timpurie poate explica planetele lipsă din Univers

Cel mai greu element descoperit până acum în atmosfera unei exoplanete

Bacteriile producătoare de metan ar fi putut supraviețui cândva sub suprafața planetei Marte