Seit etwa 20 Jahren erzeugen Paul Bellan, Professor für Angewandte Physik am Caltech, und seine Gruppe magnetisch beschleunigte Plasmastrahlen, ein elektrisch leitendes Gas aus Ionen und Elektronen, in einer Vakuumkammer, die groß genug ist, um einen Menschen aufzunehmen. (Leuchtreklamen und Blitze sind alltägliche Beispiele für Plasma).
In dieser Vakuumkammer werden Gasfetzen mit mehreren tausend Volt ionisiert. Dann fließen 100,000 Ampere durch das Plasma und erzeugen starke Magnetfelder, die das Plasma in einen Strahl formen, der sich etwa 10 Meilen pro Sekunde bewegt. Hochgeschwindigkeitsaufzeichnungen zeigen, dass der Jet innerhalb weniger zehn Mikrosekunden mehrere unterschiedliche Phasen durchläuft.
Laut Bellan sieht der Plasmastrahl aus wie ein immer länger werdender Regenschirm. Sobald die Länge einen oder zwei Fuß erreicht, erfährt der Strahl eine Instabilität, die dazu führt, dass er sich in einen sich schnell ausdehnenden Korkenzieher verwandelt. Diese schnelle Expansion löst eine andere, schnellere Instabilität aus, die Wellen erzeugt.
„Die Wellen drosseln den 100-Kiloampere-Strom des Jets, ähnlich wie wenn man mit dem Daumen über einen Wasserschlauch stülpt, der Fluss eingeschränkt wird und ein Druckgefälle entsteht, das das Wasser beschleunigt“, sagt Bellan. „Durch die Drosselung des Strahlstroms entsteht ein elektrisches Feld, das stark genug ist, um Elektronen auf hohe Energie zu beschleunigen.“
Diese hochenergetischen Elektronen wurden zuvor im Jet-Experiment anhand der von ihnen erzeugten Röntgenstrahlen identifiziert, und Bellan sagt, ihre Anwesenheit sei eine Überraschung gewesen. Das liegt daran, dass nach herkömmlichem Verständnis das Jet-Plasma zu kalt war, als dass Elektronen auf hohe Energie beschleunigt werden könnten. Beachten Sie, dass „kalt“ ein relativer Begriff ist: Obwohl dieses Plasma eine Temperatur von etwa 20,000 Kelvin (35,500 °F) hatte – weitaus heißer als alles, was Menschen normalerweise erleben –, erreicht es bei weitem nicht die Temperatur der Sonnenkorona, die über 1 liegt Millionen Kelvin (1.8 Millionen Grad F).
„Die Frage ist also: ‚Warum sehen wir Röntgenstrahlen?‘“, sagt er.
Es wurde angenommen, dass kalte Plasmen keine hochenergetischen Elektronen erzeugen können, weil sie zu „kollisiv“ sind, was bedeutet, dass ein Elektron nicht sehr weit wandern kann, bevor es mit einem anderen Teilchen kollidiert. Es ist wie ein Autofahrer, der versucht, ein Rennen durch den Stau auf der Autobahn zu schleppen. Der Fahrer könnte zwar aufs Gaspedal treten, aber nur wenige Meter zurücklegen, bevor er mit einem anderen Auto zusammenprallt. Im Falle eines kalten Plasmas würde ein Elektron nur etwa einen Mikrometer beschleunigen, bevor es kollidiert und langsamer wird.
Der erste Versuch der Bellan-Gruppe, dieses Phänomen zu erklären, war ein Modell, das darauf hindeutete, dass es einem Teil der Elektronen gelingt, während des ersten Mikrometers ihrer Reise eine Kollision mit anderen Teilchen zu vermeiden. Der Theorie zufolge konnten die Elektronen dadurch auf eine etwas höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden, und sobald sie schneller waren, konnten sie sich noch ein wenig weiter fortbewegen, bevor sie auf ein anderes Teilchen trafen, mit dem sie kollidieren könnten.
Ein Teil dieser jetzt schnelleren Elektronen würde wiederum eine Kollision für eine gewisse Zeit vermeiden, was es ihnen ermöglichen würde, eine noch höhere Geschwindigkeit zu erreichen, wodurch sie sich noch weiter fortbewegen könnten, wodurch eine positive Rückkopplungsschleife entsteht, die es einigen glücklichen Elektronen ermöglichen würde, weiter zu fliegen und schneller, wodurch hohe Geschwindigkeiten und hohe Energien erreicht werden.
Doch obwohl sie überzeugend war, war die Theorie falsch, sagt Bellan.
„Es wurde erkannt, dass dieses Argument einen Fehler hat“, sagt er, „weil Elektronen nicht wirklich in dem Sinne kollidieren, dass sie etwas treffen oder nicht treffen.“ Tatsächlich weichen sie alle ständig ein wenig aus. Es gibt also kein Elektron, das kollidiert oder nicht kollidiert.“
Dennoch tauchen im kalten Plasma des Jet-Experiments hochenergetische Elektronen auf. Um herauszufinden, warum, entwickelte Bellan einen Computercode, der die Wirkung von 5,000 Elektronen und 5,000 Ionen berechnete, die in einem elektrischen Feld kontinuierlich voneinander abgelenkt wurden. Um herauszufinden, wie es einigen Elektronen gelang, hohe Energien zu erreichen, optimierte er die Parameter und beobachtete, wie sich das Verhalten der Elektronen änderte.
Wenn Elektronen im elektrischen Feld beschleunigt werden, bewegen sie sich in der Nähe von Ionen, berühren diese jedoch nie. Gelegentlich flitzt ein Elektron so dicht an einem Ion vorbei, dass es Energie auf ein an das Ion gebundenes Elektron überträgt und langsamer wird, wobei das nun „erregte“ Ion sichtbares Licht ausstrahlt. Da Elektronen nur gelegentlich so nah an ihnen vorbeikommen, weichen sie meist nur geringfügig vom Ion ab, ohne es anzuregen. Dieser gelegentliche Energieverlust tritt bei den meisten Elektronen auf, was bedeutet, dass sie nie hohe Energien erreichen.
Als Bellan seine Simulation optimierte, erschienen einige hochenergetische Elektronen, die Röntgenstrahlen erzeugen konnten. „Die wenigen Glücklichen, die einem Ion nie nahe genug kommen, um es anzuregen, verlieren nie Energie“, fügt er hinzu. „Diese Elektronen werden im elektrischen Feld kontinuierlich beschleunigt und erreichen schließlich genügend Energie, um die Röntgenstrahlung zu erzeugen.“
Bellan sagt, dass, wenn dieses Verhalten im Plasmastrahl in seinem Caltech-Labor auftritt, es wahrscheinlich auch bei Sonneneruptionen und astrophysikalischen Situationen auftritt. Dies könnte auch erklären, warum bei Fusionsenergieexperimenten manchmal unerwartet energiereiche Röntgenstrahlen beobachtet werden.
„Es gibt eine lange Geschichte, in der Menschen Dinge sahen, die sie für eine nützliche Fusion hielten“, sagt er. „Es stellte sich heraus, dass es Fusion war, aber es war nicht wirklich nützlich. Es handelte sich um intensive transiente elektrische Felder, die durch Instabilitäten erzeugt wurden und einige Teilchen auf extrem hohe Energie beschleunigten. Das könnte erklären, was los war. Das ist nicht das, was die Leute wollen, aber es ist wahrscheinlich das, was passiert.“
Der die Arbeit beschreibende Artikel „Energetic Electron Tail Production from Binary Encounters of Discrete Electrons and Ions in a Sub-Dreicer Electric Field“ wurde in der Ausgabe vom 20. Oktober veröffentlicht Physik von Plasmen und wurde am 3. November auf der 65. Jahrestagung der Abteilung für Plasmaphysik der American Physical Society in Denver, Colorado, vorgestellt.