Forró buborékok<br/>

A fizikusok évtizedek óta vizsgálják a kavitáció jelenségét, és most első ízben sikerült lefényképezniük a buborékok összeroppanásából származó lökéshullámokat.

A kavitáció jelenségét Lord Rayleigh fedezte fel még 1917-ben, amikor megfigyelte, hogy a hajók hajtócsavarától eredő hanghullámok a vízben keletkező apró gázbuborékokat összeroppantják, s ezáltal lassan, de folyamatosan erodálják a propellert. A folyamat azonban nemcsak káros lehet, hanem hasznosítható is: például ezen az elven működik a félvezetők tisztítását szolgáló egyik eljárás csakúgy, mint az a módszer, amellyel fölösleges zsírt távolítanak el az emberi szervezetből. A fizikusok évtizedek óta vizsgálják a jelenséget, és most első ízben sikerült lefényképezniük a buborékok összeroppanásából származó lökéshullámokat.

A felvételeken látható lökéshullámok jóval erőteljesebbek, mint eddig feltételezték, s ez erősíti azokat a kétségeket, amelyek a buborékok belsejében uralkodó hőmérséklet becslésével szemben már régebb óta felvetődtek, s egy lépéssel közelebb vihet annak a régi fölvetésnek a megválaszolásához is, hogy vajon végbemehet-e nukleáris fúzió a buborék belsejében?

A jelenség hátterében az áll, hogy a folyadékban terjedő hanghullámokat kísérő periodikus sűrűség- és nyomásváltozások a folyadékban levő apró gázbuborékokat ütemesen hol összenyomják, hol tágulni engedik. Ha ezek a periodikus nyomásingadozások elég erőteljesek, a buborékok nem tudnak lépést tartani a változások ütemével, és szokásos viselkedésükkel ellentétben akkor kezdenek összehúzódni, amikor a külső víz nyomása csökken, s akkor tágulnának, amikor a külső nyomás éppen nő.

Ebben a helyzetben, természetesen, katasztrofálisan megbomlik az egyensúly. "A táguló buborékban a nyomás a vákuuméhoz közelít - magyarázta Seth Putterman, a Kalifornia Egyetem (Los Angeles) kutatója -, és a növekvő külső nyomás összeroppantja a buborékot. A benne lévő gáz eközben hihetetlen mértékben felhevül." A ma létező elméletek szerint hőmérséklete eközben legalább 25 ezer kelvinre szökik, de egyes becslések még ennél is jóval nagyobb értéket adnak. Sőt, vannak akik úgy vélik, a hőmérséklet a 15 millió fokot is elérheti - ennyi szükséges a Nap energiáját termelő folyamatnak, a hidrogénatomok héliummá történő fuzionálásának beindulásához. Mindezek a becslések azonban olyan elméleti modelleken alapulnak, amelyeket kísérletileg még nem sikerült megbízhatóan ellenőrizni: a buborékok összeomlása ugyanis mintegy 100 pikoszekundum (tized milliárdod másodperc) alatt megy végbe, s ez még a legtöbb nagysebességű kamera számára is túl gyors ahhoz, hogy a folyamat lezajlását nyomon kövesse.

A buborék hanghullám hatására történő összeroppanását kísérő fényjelenség: a szonolumineszcencia

Most a Putterman és Rainer Pecha (Stuttgarti Egyetem) vezette kutatócsoport egy kifejezetten erre a célra átalakított kamerát irányítottak olyan buborékokra, amelyeket 20 kHZ-es hang állóhullámmal lebegtettek egy helyben. A buborék összeomlását, s a lökéshullám elindulását egy gyenge ultraibolya fényfelvillanás kíséri (ez az úgynevezett szonolumineszcencia). A kutatók ezt a fényjelet használták arra, hogy beindítsa a kamera működését, amely ezt követően 400 pikoszekundumos időközönként készített egy-egy pillanatfelvételt a tovaterjedő lökéshullámról. Az ezekből összeállított film elemzéséből aztán kiderült, hogy a korábbi feltételezésekkel ellentétben a buborék falai nem a hangénál kisebb (szubszonikus), hanem azt maghaladó, szuperszonikus sebességgel omlanak össze. Jóllehet ebből még nem egyértelmű, hogy ez miként változtatja meg az eddigi hőmérsékletbecsléseket, mondta Putterman, annyi bizonyos, hogy az eddigi modelleken változtatni kell. A kutatók azt is megállapították, hogy a kifelé tartó lökéshullámok szintén a vártnál gyorsabban, csaknem négyszeres hangsebességgel terjednek. Larry Crum, a Washington Egyetem kutatója szerint mindez arra mutat, hogy a folyamat intenzitását, s valószínűleg a buborék belsejében uralkodó hőmérsékletet is eddig többnyire alábecsülték. Ennek ellenére nem hiszi, hogy ez a hőmérséklet elegendő lehet a fúzió beindulásához. Putterman és munkatársai eközben már egy újabb kísérletet készítenek elő, amelyben reményeik szerint az elektronok hőmozgásának nyomon követésével közvetlenül meghatározhatják majd a buborék belsejének hőmérsékletét közvetlenül az összeroppanás előtt és közben.

(Élet és Tudomány)

Ajánló: