Supercomputer ontrafelt microscopische oorsprong van chaos in stofplasma

Naast vast, vloeibaar en gas kent de natuurkunde een vierde toestand van materie: plasma. Daarbij zijn atomen uiteengevallen in losse, positief geladen kernen en negatief geladen elektronen. Voeg je daar piepkleine stofdeeltjes aan toe, dan pikken die de negatieve lading van de elektronen op en gaan ze onderling wisselwerken. Dat mengsel heet stofplasma, en het komt bijvoorbeeld voor in de ringen van Saturnus.

Bij sterk gekoppeld stofplasma gedragen de stofdeeltjes zich niet meer als losse deeltjes die langs elkaar heen schieten, maar als een soort elastisch rubber. Ze vormen complexe kolkende patronen die de bewegingsenergie geleidelijk omzetten in warmte. Dat proces heet chaos of turbulentie, en het is precies wat kernfusiereactoren dwarszit: turbulentie voorkomt dat het plasma de extreme temperaturen bereikt die nodig zijn om energie op te wekken.

Twee soorten instabiliteit

De Indiase onderzoekers richtten zich op twee klassieke vormen van chaos die ook in gewone vloeistoffen voorkomen. Bij de Kelvin-Helmholtz-instabiliteit schuiven twee lagen vloeistof met verschillende snelheid langs elkaar, zoals wind die over zee blaast. Bij de Rayleigh-Taylor-instabiliteit ligt een zware laag bovenop een lichtere, waardoor de boel in elkaar stort en gaat mengen.

Om deze processen te doorgronden, gebruikte het team het simulatieprogramma LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator), een tool uit de moleculaire dynamica die elk afzonderlijk deeltje kan volgen. Zo konden de wetenschappers precies het moment vastleggen waarop de grote, kolkende energie van een draaikolk uiteenvalt in de chaotische bewegingen van individuele stofdeeltjes. Ze ontdekten dat deze energiestroom een wiskundig patroon volgt voordat het systeem in thermisch evenwicht komt, en dat een sterkere koppeling tussen de stofdeeltjes dit proces vertraagt.

Belang voor fusie en sterrenkunde

Traditionele natuurkundige vergelijkingen voor vloeistoffen, zoals de Navier-Stokes-vergelijkingen, houden geen rekening met de korrelige opbouw van materie op deeltjesniveau. Daardoor voorspellen ze niet goed hoe energie verloren gaat op de kleinste schaal in complexe systemen. Door met LAMMPS het gedrag van miljarden individuele deeltjes te herleiden tot herkenbaar vloeistofgedrag, slaagden de onderzoekers erin de kloof te overbruggen tussen microscopische deeltjesfysica en macroscopische stromingsleer.

Die doorbraak reikt verder dan kernfusie alleen. Rayleigh-Taylor-instabiliteiten spelen ook een hoofdrol bij supernova-explosies en vulkaanuitbarstingen, waardoor de studie astronomen en geofysici kan helpen voorspellen hoe energie zich door zulke systemen verplaatst. De onderzoekers wijzen zelf op een beperking: hun simulaties zijn tweedimensionaal, terwijl de meeste natuurverschijnselen zich in drie dimensies afspelen. Vervolgonderzoek moet daarom uitwijzen of dezelfde patronen ook in 3D-simulaties standhouden. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Philosophical Transactions A.