Así es como la IA está ayudando a comprender mejor el plasma

Plasma, el cuarto estado de la materia

El plasma está fuertemente presente en todo el universo porque representa hasta el 99% de su contenido. Algunos no dudan en considerarlo el cuarto estado de la materia. empleo trNo hay plasma tal como es excepto en los relámpagos y las auroras boreales que iluminan las noches detrás del círculo polar. Sin embargo, puede crearse mediante combinaciones que permitan la aplicación de campos eléctricos muy fuertes y que permitan separar el núcleo de un átomo y sus electrones.

para entender lo que es plasmaDebe tomarse el tiempo para hacer una pausa por unos momentos en la formación de la sustancia. Todo lo que nos rodea en la Tierra, desde el edificio más grande hasta la bacteria más pequeña, está compuesto de átomos que forman moléculas.

El átomo consta de un núcleo central, formado por protones y neutrones cargados positivamente, alrededor del cual giran electrones cargados negativamente. En estado sólido, los átomos apenas se mueven. Cuando la temperatura aumenta, el cuerpo sólido cambia al estado líquido. Sus átomos comienzan a “rodar” unos encima de otros, por lo que el líquido toma la forma del recipiente que lo contiene.

Si la temperatura aumenta aún más, el cuerpo cambia al estado gaseoso. Los átomos se mueven libremente e independientemente unos de otros. Si aumenta la temperatura del gas a varios millones de grados y lo limita a una composición como la del tokamak, los átomos y los núcleos se separan y fluyen libremente. es plasma Pero dependiendo de la enorme temperatura alcanzada, un átomo puede ionizarse total o parcialmente.

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Alteración del plasma

© Shutterstock

Una representación del interior del tokamak. En este espacio confinado, la fusión nuclear tiene lugar en el núcleo de plasma, que gira a una velocidad tremenda.

Un tokamak es una cámara de vacío diseñada para aprovechar la energía de la fusión nuclear, la energía masiva liberada cuando dos átomos ligeros chocan para formar un átomo nuevo y más pesado. La energía liberada por las paredes del tokamak es absorbida y la temperatura aumenta. Este calor se puede utilizar para producir electricidad, por ejemplo, haciendo funcionar una turbina.

Para que los átomos se combinen y funcionen correctamente, deben alcanzar temperaturas muy altas y tener un cierto nivel de densidad. El plasma producido no siempre tiene una temperatura uniforme. Puede haber diferencias de temperatura entre el centro del plasma y los bordes cerca de la pared metálica del tokamak.

Este fenómeno es común en la vida cotidiana, especialmente cuando se calienta un líquido como el agua. Al comienzo del aumento de temperatura, se pueden observar movimientos convectivos. A medida que aumenta la temperatura, estos movimientos se vuelven más violentos e incluso erráticos. Es simplemente una perturbación.

Es exactamente el mismo fenómeno que ocurre dentro de un recipiente cerrado que contiene plasma a temperaturas de varios millones de grados. La oscilación de los campos eléctricos y magnéticos amplifica el movimiento de las partículas de plasma dentro de las líneas de campo.

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Simulación de perturbaciones de plasma

La turbulencia dentro del plasma del tokamak puede, en algunos casos, evitar que alcance una temperatura suficiente para alimentar las reacciones de fusión atómica. Entonces, son los investigadores quienes entienden las condiciones que ocurren en lugares específicos, como los bordes del plasma que gira a altas velocidades cerca de las paredes frías del contenedor.

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Para comprender mejor este fenómeno, los investigadores del MIT utilizaron inteligencia artificial junto con la física para simular el comportamiento de los plasmas. Principalmente observaron la relación dinámica entre dos variables fundamentales, el campo eléctrico turbulento y la presión electrónica. Estas simulaciones hacen posible calcular el campo eléctrico turbulento a partir de la fluctuación de la presión de los electrones en el plasma con una precisión nunca antes alcanzada. Este trabajo también hizo posible simular la teoría de baja turbulencia dentro del plasma y darse cuenta de la validez de esta teoría.

simulación trastorno plasmático Es muy difícil de conseguir, mucho más que simular turbulencias en el agua y el aire. Este estudio que utiliza inteligencia artificial muestra que, en las condiciones adecuadas, es posible pintar una imagen muy completa de lo que sucede en los bordes de los plasmas que tienden a fluctuar rápidamente.

Estas nuevas tecnologías permitirán en el futuro probar teorías que nunca han sido verificadas. La inteligencia artificial hará posible crear nuevas experiencias de fusión.

Fuente: A. Mathews, M. Francisquez, JW Hughes, DR Hatch, B. Zhu y BN Rogers, “Detección de la dinámica del plasma turbulento mediante el aprendizaje profundo a partir de observaciones parciales”, Physcal Review E 104, 025205-2021, https://doi.org/10.1103/PhysRevE.104.025205

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