Plazmový vesmír | Plazmová vlákna a stěny

Druhy vláken a stěn

Zet a theta pinč

Pinč neboli plazmové (proudové) vlákno patří k nejběžnějším útvarům v plazmatu. V nejjednodušší situaci proud teče v ose pinče (axiální směr) a kolem pinče vytváří magnetické pole (azimutální směr). Toto pole působí Lorentzovou silou na plazmové vlákno a snaží se ho smrštit. Po čase se ustaví rovnováha mezi gradientem tlaku plazmatu, který se snaží plyn rozepnout a Lorentzovou silou, která pinč komprimuje. Tato rovnováha je nestabilní a pinč tohoto typu se rychle rozpadá. Konfiguraci s osovým proudem nazýváme z-pinč (písmeno z označuje, že směr proudu je v ose z, která je současně osou vlákna).

Jinou možnou rovnovážnou konfigurací je θ-pinč. Proud teče po povrchu vlákna (v laboratorních podmínkách může být na povrchu válcová elektroda) a vzniklé magnetické pole má směr osy pinče. Jde tedy o konfiguraci přesně opačnou než z-pinč. Se stabilitou této konfigurace to opět není žádná sláva, plazma udržované čistě azimutálním proudem se také snadno rozpadá.

Helikální vlákno

Magnetické pole má nejnižší energii, pokud jsou jeho siločáry stočené do šroubovice a tvoří zkroucený provazec siločar. Taková konfigurace je relativně stabilní. Jak proudová hustota, tak magnetické pole mají osové i azimutální složky. Axiální složka proudu generuje azimutální pole a azimutální složka proudu generuje axiální pole. V tomto případě hovoříme o tzv. helikálním (šroubovicovém) pinči. Má-li pinč dostatek času, deformuje se do šroubovicové struktury s nejnižší možnou energií. V ideálním případě teče elektrický proud podél šroubovicově stočených siločar magnetického pole. Takové podélné proudy nazýváme Birkelandovy proudy. Hustota Lorentzovy síly j×B generovaná Birkelandovými proudy je nulová. Proto se tato konfigurace magnetických polí a proudů nazývá bezsilová (force free) konfigurace. Vlákno s Birkelandovými proudy je nutně helikální. Dosti často se do tvaru šroubovice stočí i plazma samotné. Šroubovice jsou přirozenými přírodními útvary na všech škálách.

Erupce na Slunci ze dne 31. ledna 2013 se vyvinula ve zkroucený plazmový filament
dobře patrný v pravé dolní části videa. Zdroj: SDO/AIA.

Dvojvlákna

Často jsou pozorovány vzájemně propletené dvoušroubovice proudových vláken. To je způsobeno tím, že dva helikální pinče se shodně orientovaným proudem se na velkých vzdálenostech přitahují (tak jako každé dva rovnoběžné vodiče protékané souhlasnými proudy). Na malých vzdálenostech dochází ale k repulzi způsobené azimutální složkou proudu. Tím je možné vytvářet energeticky vázané dvoušroubovice. Dvojvlákna se občas propletou v laboratorním plazmatu, tu a tam je vídáme na Slunci a dokonce existuje mlhovina, která se nazývá Dvoušroubovice (Double Helix). Ve vesmíru ale dvojvlákna rozhodně nejsou tak častá, jak by si přáli zastánci teorie elektrického vesmíru. Původní fyzikální směr, který tvrdí, že elektrické a magnetické jevy jsou ve vesmíru podstatné, založil Kristian Birkeland, pokračovateli se stali Hans Alfvén a Anthony Perratt. U těchto vědců šlo o seriozní posouzení nepochybného vlivu elektromagnetických dějů na vesmír. V současnosti se ale od hlavního směru odštěpila frakce dogmatiků, kteří chtějí vysvětlit téměř veškeré děje ve vesmíru elektromagneticky za každou cenu.

Mlhovina Dvoušroubovice se nachází v souhvězdí Hadonoše, pouhých 300 ly od obří černé díry sídlící ve středu naší Galaxie. Fotografie byla pořízena v infračerveném oboru spektra dalekohledem SSTSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm. Přístroje byly chlazeny kapalným heliem na teplotu 5,5 K do roku 2009. Pozorovací spektrální rozsah byl v období chlazení 3÷180 μm. Od roku 2009 pracuje dalekohled v „teplém“ režimu – teplota celého dalekohledu je cca 30 K a  pracuje jen přístroj IRAS na vlnových délkách 3,6 μm a 4,5 μm. Program observatoře má na starosti California Institute of Technology.. Snímek je v nepravých barvách. Vlákny teče proud generující magnetické pole. Zdroj: NASA/UCLA/CALTECH.

Vznik dvojvlákna na Slunci. V závěrečné fázi dojde k rekonekci  a výronu koronální hmoty. Uvolněný plazmoid se zamrzlým magnetickým polem se vydá na cestu Sluneční soustavou. Zdroj: John P. Cummings/BNL/NSF.

Toroidální pinč

V laboratořích je významná ještě jedna konfigurace – plazma držené v toroidální geometrii v tokamacíchTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025. a stelarátorechStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku. za účelem uskutečnění termojaderné fúze na Zemi. Jde vlastně o stočené plazmové vlákno do tvaru automobilové pneumatiky. Místo axiálního pole zde bývá zvykem hovořit o poli toroidálním a místo azimutálního pole o poli poloidálním. V současnosti se buduje největší zařízení tohoto druhu na světě v jižní Francii pod hradem Cadarache. ITERITER – původně zkratka pro „International Thermonuclear Experimental Reactor“, dnes se název odvozuje z latinského slova „iter“, které znamená „cesta“. Předpokládaný výkon reaktoru je 500 MW, stavba probíhá v blízkosti francouzského hradu Cadarache. Reaktor bude mít průměr 6 metrů. Tento dosud největší tokamak ITER by měl být uveden do provozu kolem roku 2025. Předpokládá se, že půjde o poslední pokusný reaktor před stavbou první skutečné termojaderné elektrárny., jak se obří tokamak jmenuje, bude mít průměr komory s plazmatem šest metrů.

Plazmová stěna

Kromě nejznámější válcové struktury se plazma může také formovat jako plazmová (proudová) vrstva či stěna držená vlastním magnetickým polem. V takové stěně tekou plošné proudy, které generují přilehlé magnetické pole. Toto vlastní pole přebírá úlohu azimutálního pole u normálního vlákna a brání rozšiřování stěny a jejímu rozpadu. Nejtypičtějším příkladem proudových stěn jsou polární záře. Plošné proudy zde tekou podél dipólového pole planety, a jde proto o typické Birkelandovy proudy.

Aurora polaris borealis, severní polární záře. Na snímku z expedice Aurora (2012)
je typická zprohýbaná stěna polární záře. Zdroj: AGA.

Porovnání vlákna s hvězdou

Elektromagnetický kolaps

Plazmové vlákno je v rovnováze, je-­li Lorentzova síla vyrovnávána gradientem tlaku látky. Tato podmínka platí pro rovnovážné konfigurace zcela obecně, tedy nejen pro plazmová vlákna, a plyne z ní, že při rovnováze se proudočáry a magnetické siločáry nacházejí v plochách s konstantním tlakem. Pro válcovou symetrii odvodil poprvé podmínku rovnováhy Willard Bennett za předpokladu konstantní proudové hustoty ve vlákně. Ve vláknech, zejména laboratorních pinčích, dochází k silnému Jouleovu ohřevu procházejícím proudem. Takto vzniklé teplo by zvyšovalo tlak ve vlákně a zabránilo vzniku rovnováhy. Vzhledem k tomu, že vlákna jsou pozorována jako relativně stabilní útvary, musí být teplo generované ve vlákně odváděno. Rendel Pease a Stanislav Braginskij navrhli, že v rovnováze je vznik Jouleova tepla plně kompenzován radiačními ztrátami. Záření vlákna je pravděpodobně nejpodstatnějším mechanizmem odvodu energie z vlákna, který zabrání jeho ohřevu.

Rendel Pease a Stanislav Braginskij odvodili nezávisle na sobě v roce 1957 teoretickou možnost elektromagnetického kolapsu plazmového vlákna. Průchodem proudu je ohmicky uvolňována tepelná energie zahřívající vlákno. Tato energie je odnášena ven zářením. Zářivý výkon s teplotou roste. Při vysokých hodnotách proudu, a tím vysokých teplotách, je odnášeno zářením takové množství energie, že dojde k porušení rovnováhy vlákna, vnější magnetický tlak převáží tlak látky a plazmové vlákno začne kolabovat ke své ose. Přitom se jeho teplota nezvyšuje, naopak může i poklesnout díky prudkému odvodu energie zářením. Tento kolaps může zastavit až tlak degenerovaného plynu elektronů nebo neutronů (kvantové jevy v superhusté látce). Scénář elektromagnetického kolapsu velmi připomíná závěrečná stádia vývoje hvězd – gravitační kolaps na bílého trpaslíka či neutronovou hvězdu (včetně závěrečného ochlazení). K elektromagnetickému kolapsu by mělo dojít pro proudy větší než je hodnota I_PB ~ 1,6 MA odvozená Peasem a Braginskim. Tato hodnota nezávisí na tvaru ani velikosti vlákna. Jde o univerzální konstantu složenou z jiných základních konstant (permeability vakua, Boltzmannovy konstanty, Stefanovy-Boltzmannovy konstanty atd.).

Tato teoretická předpověď je značně problematická, protože předpoklady Peaseho-Braginského odvození nejsou nikdy přesně splněny. Odvození bylo provedeno pro opticky řídké plazma zářící pouze rekombinačními procesy, byla uvažována jen normální srážková vodivost plazmatu, vedení proudu může být ve skutečnosti v extrémních podmínkách ovlivněno různými anomálními jevy, odvod energie může probíhat jinými kanály než zářením (například rychlými elektrony z chvostu Maxwellova rozdělení). Základním problémem je, že před dosažením Peaseho-Braginského proudu se vlákno zpravidla rozpadá v důsledku rozvoje nestabilit nebo se dělí na více menších vláken. V laboratoři se pozorují jen oddělené horké tečky, kolaps celého vlákna se dosud nepodařilo pozorovat. Část těchto horkých teček může navíc vznikat jinými mechanizmy než kolapsem, například uvolněním energie při přepojení magnetických siločar. Možnost elektromagnetického kolapsu tak i dnes zůstává otevřená.

Na obou snímcích je chladné plazmové vlákno v molekulárním mračnu v souhvězdí Býka, které je od nás vzdálené 430 l.y. Levý obrázek je ve vizuálním oboru. Prachové vlákno je neprůhledné a zastiňuje hvězdy na pozadí. Pravý snímek je v milimetrové oblasti mikrovln a pochází z radioteleskopu APEX. Vlákno látky v této oblasti intenzivně září, zejména díky prachu, který širokospektrálním zářením z plazmového vlákna odvádí energii. V některých oblastech vlákna jsou patrné rodící se hvězdy. Zdroj: APEX/LABOCA.