Gorąca wiązka mrożąca. Promienie zimna - wojsko zainteresowane

Naukowcy z Uniwersytetu Stanu Wirginia badają sposoby przekształcania plazmy, stanu materii zwykle kojarzonego z bardzo wysoką temperaturą. Może on zostać przekształcony w rodzaj „promienia zamrażającego”. Badania te zwróciły uwagę Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, które przekazały fundusze na laboratorium Patricka Hopkinsa znajdujące się na wirginijskiej uczelni. Środki te zostaną użyte w ciągu najbliższych trzech lat na opracowanie rozwiązania wykorzystującego plazmę do chłodzenia elektroniki.

Odkrycie badaczy z Wirginii nie jest jednak przeznaczone, przynajmniej oficjalnie, do tworzenia nowej zamrażającej natychmiastowo broni. Profesor Hopkins chce stworzyć nowe systemy chłodzenia powierzchniowego na żądanie dla elektroniki wewnątrz statków kosmicznych i odrzutowców na dużych wysokościach.

Gęsia skórka na metalowej płytce

Siły Powietrzne i Kosmiczne operują w przestrzeni kosmicznej, czyli w próżni, lub w górnej atmosferze, gdzie jest bardzo mało powietrza, które może posłużyć do chłodzenia. Zabieranie ze sobą w wysokie loty chłodziwa to mało praktyczne rozwiązanie, nie wspominając o ogromnych kosztach związanych z wynoszeniem dodatkowej masy. Plazmowe, natychmiastowe chłodzenie mogłoby rozwiązać wiele problemów z elektroniką na pokładach latających wehikułów.

Chociaż plazma jest bardzo gorąca, wykazuje mało dotychczas zbadany efekt zachodzący, gdy uderza w powierzchnię. Wówczas gorąca plazma chłodzi powierzchnię przed jej podgrzaniem. W swoich eksperymentach, opisanych w połowie roku 2023 na łamach czasopisma „ACS Nano”, Hopkins i jego zespół wystrzeliwali impulsy plazmy helowej przez igłę zamkniętą w ceramicznym izolatorze w kierunku płytki ze złota. Naukowcy wybrali złoto, ponieważ jest ono obojętne i w miarę możliwości chcieli uniknąć trawienia powierzchni przez skupioną wiązkę, co mogłoby wypaczyć wyniki eksperymentów.

Kluczem w tych badaniach były bardzo szybkie i krótkie pomiary temperatury w miejscu uderzenia plazmy. Naukowcy wyraźnie zaobserwowali, że powierzchnia obiektu najpierw się ochładza, a następnie nagrzewa.

Aby wyjaśnić, dlaczego powierzchnia najpierw się ochładza, Hopkins użył mikroskopów i techniki zwanej „termometrią optyczną z rozdzielczością czasową” do pomiaru termorefleksji, współczynnika odbicia światła w oparciu o temperaturę na  powierzchni. Badacze zaobserwowali, że początkowy spadek temperatury wynikał z wydostania się ultracienkiej warstwy węgla i cząsteczek wody z powierzchni płytki.

Podobny proces zachodzi, gdy chłodna woda odparowuje z naszej skóry po kąpieli i czujemy chłód z gęsią skórką. „Odparowanie cząsteczek wody na ciele wymaga energii - pobiera energię z ciała i dlatego czujemy zimno”, tłumaczy Hopkins. „W tym przypadku plazma odrywa zaabsorbowane cząsteczki, energia jest uwalniana i to właśnie chłodzi materiał”.

Badacze zmierzyli temperaturę. Okazało się, że udało im się obniżyć ją o kilka stopni i na kilka mikrosekund. Chociaż nie wydaje się to dużo, wystarczy, aby miało znaczenie w niektórych urządzeniach elektronicznych. Zespół Hopkinsa testuje inne gazy i materiały, by znaleźć sposób na przedłużenie efektu chłodzenia.

Broń? Na razie nie

Uczeni wyjaśniają, że tak naprawdę nie badali jeszcze zastosowania różnych typów gazów, ograniczając się jedynie do  plazmy helowej. Eksperymentowali z różnymi metalami, takimi jak złoto i miedź, oraz półprzewodnikami. Każdy z tych materiałów to nieco inny kompleks zjawisk wynikających z eksperymentów. Wszystkie te efekty są wciąż badane.

Typowym rozwiązaniem chłodzącym dla elektroniki lotniczej i kosmicznej jest „zimna płyta”, która odprowadza ciepło z elektroniki w kierunku wymienników, które je uwalniają. W przypadku zaawansowanej elektroniki może to jednak nie zawsze być wystarczające. Hopkins uważa, że konfiguracja systemu chłodzącego opartego na plazmie może mieć postać robotycznego ramienia, które porusza się w odpowiedzi na zmiany temperatury. „Strumień plazmy, o którym myślimy, jest jak wiązka lasera, jak błyskawica”, wyjaśnia Hopkins w publikacji. „Może być niezwykle precyzyjnie zlokalizowany”.

Inne ewentualne zastosowania zjawiska „mrożącego strumienia plazmy”, w tym najbardziej działające na wyobraźnię pomysły na nowy rodzaj broni niczym z filmów SF, nie są w tej chwili omawiane ani wspominane przez badaczy. Jednak zainteresowanie wojskowych, jak wiemy, może ostatecznie nie ograniczyć się do chłodzenia pokładowej elektroniki. 

Mirosław Usidus