Amerikaanse natuurkundigen ontrafelen raadsel van smeltend diamant voor kernfusie

Diamant is niet alleen een sieraad. De keiharde koolstofvorm wordt ook gebruikt als omhulsel voor de brandstofkorrel in laserfusie, waarbij lasers een piepklein bolletje brandstof met zoveel kracht samenpersen dat er kernfusie ontstaat. Diezelfde extreme druk komt ook voor diep in het binnenste van ijsreuzen als Neptunus en Uranus, waar wetenschappers vermoeden dat het er letterlijk diamant regent. In beide gevallen wisten onderzoekers al twintig jaar dat experimenten en computersimulaties het oneens waren over hoe diamant zich precies gedraagt onder zulke omstandigheden.

Heter dan de zon, dichter dan Neptunus

Het team van LLNL, onder leiding van natuurkundige Marius Millot, perste piepkleine diamantmonsters samen met schokgolven tot drukken die drie keer hoger liggen dan in de kern van de aarde. Daarbij liepen de temperaturen op tot boven die van het zonsoppervlak, en de druk overtrof zelfs die in het centrum van Neptunus en Uranus. Toch slaagden de wetenschappers erin om onder die extreme omstandigheden de kristalstructuur, temperatuur, dichtheid en optische reflectiviteit van het materiaal te meten. Zulke metingen zijn ongekend precies voor condities die normaal alleen in sterren of planeetkernen voorkomen.

Belangrijke voorloper van dit werk was onderzoek van LLNL-wetenschapper Jon Eggert, die twintig jaar geleden ontdekte dat de dichtheid van diamant juist toeneemt bij het smelten. Dat is ongebruikelijk: de meeste vaste stoffen worden minder dicht als ze vloeibaar worden. Water is een bekende uitzondering, legt Millot uit: ijs drijft omdat het lichter is dan vloeibaar water. Bij diamant werkt het net andersom, waardoor vast diamant juist zou blijven drijven in vloeibare koolstof onder hoge druk. Die vondst wierp destijds nieuwe vragen op: de gemeten smelttemperatuur van diamant weekt zo'n twintig procent af van wat de beste computermodellen voorspelden, ongeacht hoe geavanceerd de rekentechnieken werden.

Sleutel voor kernfusie en planeten

In het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in het vakblad Nature, laten de wetenschappers zien dat de smelttemperatuur van diamant rond de 7.300 kelvin licht daalt naarmate de druk verder oploopt. Dat resultaat komt nu wél overeen met de nieuwste kwantummechanische simulaties, gebaseerd op dichtheidsfunctionaaltheorie. Ook ontdekten de onderzoekers dat de kristalstructuur van diamant tot drukken van 1 terapascal intact blijft. Dat weerlegt eerdere claims dat koolstof bij zulke drukken overgaat in een andere kristalvorm, de zogeheten BC8-fase, die volgens sommige theoretische modellen juist stabieler zou zijn.

De resultaten leveren nauwkeurige ijkpunten op voor toekomstige simulaties van materie onder extreme omstandigheden, met gevolgen voor zowel planeetonderzoek als kernfusie. Omdat het gedrag van het diamanten omhulsel rond de brandstofkorrel bepaalt hoe efficiënt de fusiereactie verloopt, kan een betere voorspelling van het smeltgedrag helpen om de energieopbrengst van laserfusie-experimenten aanzienlijk te verhogen. Onderzoekers spreken zelfs over een mogelijke verdrievoudiging van de energiewinst.