Sonoluminiscencija

Sonoluminiscencija samo jednog kavitacijskog mjehurića

Video stvaranja sonoluminiscencije

Sonoluminiscencija je pojava pri kojoj uz pomoć mehaničkih valova (ultrazvuk) mjehurići u tekućini rastu i implodiraju, te pri tom emitiraju svjetlost, koja traje manje od 50 pikosekundi.

Istraživanje

Pojava sonoluminiscencije je prvi puta primjećena 1934., na Univerzitetu u Kölnu, kao rezultat proučavanja sonara ili podvodnog električnog lokatora. H. Frenzel and H. Schultes su postavili ultrazvučni pretvarač u tekućinu za razvijanje fotografija, s namjenom da ubrzaju postupak. Primjetili su pojavu mjehurića na slici, što nisu znali objasniti. Danas se zna da je to bila pojava sonoluminiscencije s više mjehurića.

Godine 1989. Felipe Gaitan i Lawrence Crum su dobili sonoluminiscenciju sa samo jednim kavitacijskim mjehurićem, što je bio veliki napredak. Uspjeli su uhvatiti jedan mjehurić s zvučnim stojnim valom, tako da su pronašli bolji način za pručavanje te pojave. Primjetili su da je unutrašnja temperatura tog mjehurića dovoljna da otopi čelik. Zadnji pokusi su pokazali da je ta temperatura oko 20 000 K.

Mehanika fluida

Dinamika kretanja mjehura je određena prvom aproksimacijom Rayleigh-Plesset formule:

$R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}={\frac {1}{\rho }}\left(p_{g}-P_{0}-P(t)-4\eta {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)$,

gdje je t vrijeme, p pritisak, η viskoznost i γ površinski napon.

Ovo je aproksimacija formule koja je izvedena iz Navier–Stokesovih formula (koje određuju kretanje viskoznih fluida, dobijaju se primjenom II. Newtonovog zakona na fluide) i opisuje kretanje radijusa R u funkciji od vremena t. Jednačina, iako aproksimirana, daje odlične pretpostavke kako će se mjehur urušiti pod utjecajem zvučnih valova.

Svojstva

U eksperimentu, mala kuglasta staklena posuda, napunjena vodom rezonira harmoničnim zvučnim valom od 20 kHz, koji potječe iz zvučnika. Zatim se vrlo mali zračni mjehurić upuše u centar kuglaste staklene boce. Kada je mjehurić točno centriran u boci, počinje ritmički implodirati i emitirati svjetlost. Svijetlo se emitira u ultrakratkim svijetlosnim bljeskovima, koji nose trilijun puta veću koncentraciju energije od izvorne zvučne energije. Temperatura u centru mjehurića doseže astronomskih 20 000 ºC, uz ogroman tlak.

Bljeskovi svjetla su vrlo kratki, između 35 do 100 pikosekundi, sa snagom od 1 do 10 mW. Mjehurići su vrlo mali kad emitiraju svjetlost, oko 1 μm u dijametru. U početku je pojava stabilna, ali se s vremenom pojavljuje Rayleigh–Taylorova nestabilnost (nestabilnost između dva fluida različite gustoće). Dodavanjem male količine plemenitih plinova (helij, argon ili ksenon), jačina svjetla se povećava. Spektralnom analizom se dobijaju temperature mjehura između 2900 i 5100 K. Točne temperature zavise od uslova izvođenja eksperimenta uključujući sastave tekućina i plina.

Od lijeva na desno: pojava mjehurića, lagano povećanje, brzo i iznenadno sabijanje i emisija svjetlosti

Sonoluminiscencija u prirodi

Otkriveno je da u prirodi postoji takozvani račić-pištolj koristi neki tip sonoluminiscencije koju stvara pomoću specijalnih kliješta i time ubija žrtvu (uglavnom zbog velikih temperatura).

Hladna fuzija

Sonofuzija koju je koristio Rusi Taleyarkhan:
1. Vakumska pumpa
2. Tekući scintilator
3. Izvor neutrona
4. Akustični generator valova
5. Pokusna komora s fluidom
6. Mikrofon
7. Cijev za fotoumnožavanje
8. Dva atoma deuterija se sudaraju
• 8a. Mogući događaj nuklearne fuzije, kojim se stvara helij i neutron
• 8b. Mogući događaj nuklearne fuzije, kojim se stvara tricij i proton

Daljnja istraživanja te prirodnog pojave, sonoluminiscencije, bi mogla voditi onom što se naziva sonofuzija, vrsti hladne fuzije, kojoj fizika već toliko dugo teži.

Godine 1989. znanstvenici Pons i Fleischmann s Universiteta u Utahu izjavili su da su uz pomoć elektroda od paladija, spojenih na bateriju i uronjenih u deuterij stvorili fuziju. Sonofuzija bi pomoću zvučnih valova stvarala titranje tlaka u tekućini bogatoj deuterijem, i zbog tog titranja bi dolazilo do implozije sitnih mjehurića deuterijeve pare, koja izaziva fuziju jezgara?

Javno rasulo Ponsa i Fleischmanna 1989. nije ostao nezapažen: naime, odonda se tajno radi u mnogim laboratorijima kako bi se njihova tvrdnja opravdala i pronašao nov način dobivanja enormne količine energije. Mnogi su vjerovali da tu “ima nešto”, budući da je Fleischmann bio vrlo cijenjen elektrokemičar. Napokon 2002. Američka ratna mornarica izlazi s radom naslovljenim “Termalni i nuklearni aspekti Pd/D₂O sistema”.

Neke grupe znanstvenika su uspjele ponoviti eksperiment Ponsa i Fleischmanna, te su u nekim slučajevima uspjeli izvući čak 250% energije koju su uložili, no, kritici tvrde da višak energije ne znači nužno da se odvija fuzija, te da su produkti fuzije helij i vodikov izotop tricij. Talijanski znanstvenici su čak uspjeli dobiti i te produkte, što je pokazatelj da je fuzija bila uspješna.

Ako se reakcija snima infracrvenom kamerom, očito je da do viška topline ne dolazi po cijeloj površini paladijevih ploča, već samo u obliku mini-eksplozija na dijelovima elektroda. Fleischmann, koji i dalje radi na istraživanju hladne fuzije, osjeća se više-manje osvećenim, naime, i dalje se hladnu fuziju često smatra alternativnom znanošću, no istraživanja poznatih instituta i američke vojske ukazuju na moguću uporabljivost tog energenta

Znanstvenici Lahey, Taleyarkhan i Nigmatulin tvrde da na taj način mogu izazvati fuziju u običnoj tubi od Pyrex stakla koristeći deuterizirani aceton. Pomoću generatora neutrona izazivaju nastanak mjehurića u tekućini, te ih pomoću zvučnih valova implodiraju. Emisiju neutrona, koji su produkt fuzije, prate pomoću detektora neutrona. Mnogi znanstvenici su kritizirali Taleyarkhana da skriva načine na koje je izazvao sonofuziju, te nacrte aparature, zbog toga što gotovo nitko nije uspješno ponovio njegove eksperimente. On se, pak, brani da je uvijek iznosio sve potrebno da bi se pokusi uspješno obavili, te je raznim metodama pokušavao dokazati uspješnost svojih eksperimenata, no i dalje je cijelo to područje obavijeno velom tajne i intrige.

Hladna fuzija je za mnoge svojevrsni kamen mudraca, utopija da će svaka industrija i svako kućanstvo imati beskonačne količine energije. Možda to i jest tako, no možda je, ipak, hladna fuzija sasvim moguća, no nema svoju financijsku potporu zbog političkih interesa.

Literatura

• Putterman, S.J. (1995-02-01). „Sonoluminescence: Sound into light” (PDF). Scientific American 272 (2): 46–51. DOI:10.1038/scientificamerican0295-46. ISSN 0036-8733. 
• H. Frenzel and H. Schultes (1934). „Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser”. Z. Phys. Chem. B27: 421. 
• Gaitan, D. F.; L. A. Crum, R. A. Roy, and C. C. Church (1992). „Sonoluminescence and bubble dynamics for a single, stable, cavitation bubble”. The Journal of the Acoustical Society of America 91 (6): 3166–3183. DOI:10.1121/1.402855. 
• Brenner, Michael P.; Hilgenfeldt, Sascha; Lohse, Detlef (2002-05-13). „Single bubble sonoluminescence” (PDF). Reviews of Modern Physics (The American Physical Society) 74 (2): 425–484. DOI:10.1103/RevModPhys.74.425. Pristupljeno 2008-05-27. 
• Taleyarkhan, R. P.; C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey, Jr., R. Nigmatulin, and R. C. Block (2002-03-08). „Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation”. Science 295 (1868). ISSN 0036-8075. Pristupljeno 2007-05-13. 
• "Tiny Bubbles Implode With the Heat of a Star", New York Times article. Registration and small fee may be required.
• John D. Wrbanek, et al.(2009): Investigating Sonoluminescence as a Means of Energy Harvesting. pages 605–637, in: Marc G. Millis, Eric W. Davis: Frontiers of Propulsion Science. American Inst. of Aeronautics & Astronautics, Reston, ISBN 1-56347-956-7, Abstract Arhivirano 2016-04-16 na Wayback Machine-u NASA Technical Reports Server
• For a "How to" guide for student science projects see: Robert Hiller and Bradley Barber (1995). „Producing Light from a Bubble of Air”. Scientific American 272 (2): 96–98. DOI:10.1038/scientificamerican0295-96. 

Vanjske veze

Sonoluminiscencija na Wikimedijinoj ostavi

Stranice s detaljnijim objašnjenjima i opisima eksperimenata:

• (en) Techmind: Sonoluminescence
• (en) Sonoluminescence.com: SL100B A Ready to Run Complete Sonoluminescence System
• (en) Halexandria: Sonoluminescence