Solvindar och skenande elektroner i fusionsreaktorer på jorden – skalan är olika, men fysiken densamma. Nu hoppas svenska forskare förstå och därmed förutspå extrema plasmautbrott som kan skada känslig elektronik.
Projektanslag 2022
Extreme plasma flares
Huvudsökande:
Tünde Fülöp, professor
Medsökande:
Chalmers
István Pusztai
KTH
Andris Vaivads
Institutet för rymdfysik
Yuri Khotyaintsev
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
26,2 miljoner kronor under fem år
Plasma kallas det tillstånd där materian är helt joniserad, som en gas av fria laddade partiklar. På jorden är plasma ovanligt och uppstår bara vid extrem upphettning, men i rymden är det desto vanligare. Trots att rymden är så kall är nästan all materia där i plasmaform.
– Plasma brukar kallas ”det fjärde aggregationstillståndet” efter fast, flytande och gas. Men i stora delar av universum är det verkligen det första tillståndet. Alla stjärnor och merparten av all interstellär materia existerar i form av plasma. Det räcker att vi kommer upp hundra kilometer från jordytan så är mycket redan joniserat, berättar Tünde Fülöp.
Hon är professor i fysik vid Chalmers tekniska högskola och leder ett projekt med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Forskare från Chalmers, KTH och Institutet för rymdfysik i Uppsala ska studera ett specifikt plasmafenomen: extrema plasmautbrott, som får partiklar att accelereras kraftigt och magnetisk energi att frigöras på ett explosivt sätt.
Utbrott kan skada elektronik och kraftverk
När laddningar rör sig, oavsett om det är som ström i en ledning eller laddade partiklar i plasma, uppstår magnetfält. I plasma kan motriktade magnetfält mötas, liksom tryckas ihop, och kopplas om på ett sätt som får en stor mängd energi att slungas ut, oftast i form av elektroner med hög hastighet. Sådana energirika partiklar ligger bakom de vackra norrsken vi kan se på jorden, men de kan också orsaka skador. Inte på levande organismer, men på elektronik – vilket i sig innebär stora risker i vår uppkopplade värld.
– För hundrafemtio år sedan hade det här knappt betytt någonting, men nu skulle en stark geomagnetisk storm av det slaget i rymden runt jorden kunna bli en finansiell och praktisk katastrof. Den kan slå ut satelliter, internet och mobilnätverk, säger Tünde Fülöp.
Liknande plasmautbrott kan också ske i framtida fusionskraftverk och leda till problem där. Fusionskraft är ett av de kraftslag som skulle kunna bidra till ren energi, men finns än så länge bara på experimentstadiet. Tünde Fülöps egen forskning handlar delvis om teorin bakom sådana experiment.
Målet med det nya projektet är att förstå vilka fysikaliska omständigheter som leder till plasmautbrott oavsett var de sker, och därmed att kunna förutspå dem. Då skulle det bli möjligt att skydda elektronisk utrustning från geomagnetiska stormar, exempelvis genom att tillfälligt stänga av system, och det skulle gå att skydda fusionskraftverken genom att i rätt läge aktivera tekniker för att bromsa energirika elektroner.
Nytt att kombinera de två forskningsfälten
Men än så länge vet man mycket lite om hur plasmautbrotten uppstår. Det är svårt att utforska experimentellt eftersom de bildas mycket fort, och på jorden krävs alltså dessutom extremt hög temperatur.
– Det går inte att sätta in prober i de hetaste delarna av fusionsplasma och göra mätningar där. Men man kan hämta mätdata från rymdsonder, säger Tünde Fülöp.
Det finns flera sådana sonder, där de äldsta har samlat in data i över tjugo år. I det pågående forskningsprojektet samarbetar forskarna inom teoretisk plasmafysik med experimentella rymdfysiker.
– Att vi som är teoretiker med erfarenhet av laboratorieplasma arbetar så nära de forskare som gör rymdobservationer är det nya i det här projektet. Av någon anledning är de här två fälten annars ganska åtskilda, men egentligen handlar det om samma fenomen och samma typer av ekvationer.
Teoretikerna kommer att göra datasimuleringar för att skapa nya modeller för fenomenen. Andra simuleringar kommer att bygga på informationen från rymdmätningarna. Målet är att hitta den kombination av parametrar och förhållanden som leder till maximal acceleration.
Universell fysik länkar rymden till laboratoriet
Några år in i projektet hoppas Tünde Fülöp kunna använda det som gruppen lärt sig i laboratoriet och i jordens närhet för att analysera solutbrott.
– Det är det som är så vackert med teoretisk fysik; det är tillämpbart på så många olika fall. Plasmafysiken är universell, så kanske kan de här försöken hjälpa oss att bättre förstå laboratorieplasma också.
Det är ett utmanande projekt. De som gör observationer i rymden kan inte planera ”experimenten”, eftersom det handlar om plötsliga, naturliga fenomen. När utbrotten sker skulle man egentligen behöva mäta både nära jorden och en bit ifrån, vilket inte är möjligt. I stället ska mätdata från olika sonder och olika tider kombineras. Forskarna behöver identifiera de mest extrema händelserna och skapa modeller för dem både mikroskopiskt och makroskopiskt.
– Vi måste ta hänsyn till effekter som ligger flera storleksordningar från varandra i skala. Men när magnetisk omkoppling sker i fusionskraftverk går det för snabbt för att mätningar alls ska kunna göras, så vi har fått förlita oss på antaganden och simuleringar. Nu försöker vi bygga upp en bättre teoretisk beskrivning med inspiration från de frågeställningar som våra kollegor inom rymdfysiken har. Det är så fascinerande!
Text Lisa Kirsebom
Bild Johan Gunséus, Johan Wingborg
