Schallwellen, die die Schwerkraft nachahmen

Schallwellen, die die Schwerkraft nachahmen
Schallwellen, die die Schwerkraft imitieren - Heißes Gas, das sich in einem kugelförmigen Glasgefäß unter dem Einfluss einer der Schwerkraft ähnlichen akustischen Kraft bewegt, weist Anzeichen von Konvektion auf. Fotos, die 15, 40 und 140 Millisekunden nach Aktivierung der Kraft aufgenommen wurden, haben falsche Farben verwendet, um Helligkeitsunterschiede hervorzuheben. Das Hauptmerkmal ist ein expandierender Ring aus heißem Gas. - JP Koulakis et al. [einer]

Dank eines neu entdeckten akustischen Effekts kann ein erhitztes Gas nun die gravitationsinduzierte Konvektion im Inneren eines Sterns oder eines massiven Planeten nachahmen. Manchmal kommt ein wissenschaftlicher Durchbruch physisch ans Licht. Durch die Untersuchung des akustischen Effekts in Hochleistungsglühlampen schufen die Forscher ein Gerät, das das Gravitationsfeld um Planeten und Sterne simuliert. Die Forscher bewiesen, dass die Schallwellen im Inneren der Glühbirne eine Kraft erzeugen, die das Gas in Richtung der Mitte der Glühbirne zieht. Das Gas wird von dieser Gravitationskraft in Konvektionszyklen abgestoßen, ähnlich den Bewegungen von Flüssigkeiten auf der Sonne und großen Planeten. Mit weiteren Entwicklungen kann das System Konvektionsverhalten untersuchen, das für Computer zu schwierig zu replizieren ist.

Im Jahr 2017 zeigten Studien zu leistungsstarken Schwefellampen, dass Schallwellen dazu führen können, dass heißes Gas in der Mitte der Glühbirnen kondensiert. Die Akustikgruppe von Seth Putterman an der UCLA befasste sich mit diesem unerwarteten Phänomen. Das Team untersuchte die Clusterbildung und zeigte, dass die akustische Strahlungsstärke sie erklären könnte. Diese Kraft, die auftritt, wenn Schallwellen von einem Objekt wie einer kleinen Perle gestreut werden, ist aus der akustischen Levitationsforschung bekannt. Putterman und Kollegen haben gezeigt, dass diese Kraft in Glühbirnen über das Gas wirkt, wo Dichteänderungen die Schallwellen neu fokussieren, und nicht an der Oberfläche eines Objekts, wo der Schall gestreut wird.

Laut Teammitglied John Koulakis „wussten wir, dass Kraft an einer scharfen Grenzfläche zwischen etwas Festem und einem Gas wirkt.“ „In der Glühbirne steckt eine Kraft, auch wenn es keine scharfe Wechselwirkung gibt.“

Bei der Modellierung dieses Systems stellten die Forscher fest, dass die akustische Stärke innerhalb gewisser Grenzen mit der Gasdichte zusammenhängt; ebenso wie die Gravitationskraft in einem Medium proportional zur Dichte des Mediums ist. Wenn Wissenschaftler im Labor „Schallgravitation“ erzeugen können, können sie anspruchsvolle Themen in Geologie und Sonnenphysik mit einem regulierten System untersuchen. Angesichts dieser Motivation hat das Team nun ein Experiment mit einer kugelsymmetrischen Schallkraft aufgebaut, ähnlich dem Gravitationsfeld eines Planeten oder Sterns.

Um ihr analoges System zu entwickeln, verwendeten Putterman und Kollegen Mikrowellen, um Schwefelgas im Kern einer 3 cm breiten kugelförmigen Glasschale auf 4000 °C zu erhitzen. Durch Modulation dieses Mikrowellensignals konnten sie Schallwellen in einem kugelsymmetrischen Stehwellenmuster erzeugen. Die akustische Kraft in diesem Experiment ist nach innen gerichtet, zumindest für den äußeren Raum der Kugel, in Übereinstimmung mit dem Modell des Teams. Da die Gravitationskraft an der Erdoberfläche 1000-mal stärker ist als die gravitationsähnliche akustische Kraft, muss die akustische Gravitation der dominierende Faktor sein, der die Bewegung des Gases antreibt.

Nachdem die akustische Kraft aktiviert wurde, zeigen Bilder der Kugel die komplexe Gasbewegung. Diese Bewegung wurde von den Forschern als Konvektionsströmung bestimmt, die durch das heiße Gas im Zentrum verursacht wird. Cluster aus heißem Gas „steigen an die Oberfläche“ und bilden blendende Wolken, genau wie auf einem gasförmigen Riesenplaneten oder Stern. Wenn sich diese Cluster der äußeren Glasgrenze nähern, verlieren sie Wärme und sinken zurück in Richtung Zentrum.

Mit anderen schwerkraftähnlichen Kräften wie der dielektrophoretischen Kraft, die sich in intensiven und schwankenden elektrischen Feldern entwickelt, haben Forscher bereits eine planetenähnliche Konvektion geschaffen. Aber die Forschung benötigte eine Mikrogravitationsumgebung, um die Auswirkungen dieser anderen Kräfte zu beschreiben, weil sie so schwach sind.

Im Gegensatz dazu reicht die akustische Kraft aus, um Tests in einem Labor an Land durchzuführen.

Das Team findet Konvektion in einer thermodynamischen Region, abseits von planetarischen oder stellaren Bedingungen. Solche Bedingungen werden schwer zu erreichen sein, aber die Forscher planen, die Kerntemperatur des Gases zu erhöhen, was es ihnen ermöglicht, thermodynamische Felder zu untersuchen, die derzeit außerhalb des Bereichs von Computersimulationen liegen. Obwohl es sich nicht um einen planetarischen Maßstab handelt, sagt Putterman, "wird diese Konfiguration eine Bewertung der Empfindlichkeit ermöglichen, mit der globale Konvektionsprogramme mehrere wichtige nichtlineare Phänomene erfassen."

Der Konvektionsmodellierer Nick Featherstone von der University of Colorado in Boulder beschreibt das Experiment als „ziemlich fantastisch“.

Laut Featherstone ist die neue Anordnung ein "großer Schritt nach vorne", da die Bemühungen zur Erforschung der Entstehung von solaren und terrestrischen Magnetfeldern durch die experimentellen Schwierigkeiten bei der Erzeugung einer kugelsymmetrischen Schwerkraft eingeschränkt wurden. „Ich gehe davon aus, dass dies in den kommenden Jahren zu einer Veränderung in der Art und Weise führen wird, wie wir Planeten und Sterne im Laborkontext untersuchen.“

Quelle: physical.aps.org/articles/v16/10

 

 

Günceleme: 22/01/2023 23:31

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