Wie eine 3-Zentimeter-Glaskugel Wissenschaftlern helfen könnte, das Weltraumwetter zu verstehen

Sonneneruptionen und andere Arten von Weltraumwetter können verheerende Auswirkungen auf die Raumfahrt und die Telekommunikation und andere Arten von Satelliten haben, die die Erde umkreisen. Aber bis heute war die Fähigkeit der Wissenschaftler, Wege zur Überwindung dieser Herausforderung zu erforschen, stark eingeschränkt. Das liegt daran, dass Experimente, die sie in Labors hier auf der Erde durchführen, von der Schwerkraft auf eine Weise beeinflusst werden, die ganz anders ist als die Bedingungen im Weltraum.

Aber eine neue Studie von UCLA-Physikern könnte endlich helfen, dieses Problem zu lösen – was ein großer Schritt zum Schutz von Menschen (und Ausrüstung) während Weltraumexpeditionen und zur Gewährleistung des ordnungsgemäßen Funktionierens von Satelliten sein könnte. Das Papier ist erschienen in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Die UCLA-Forscher reproduzierten effektiv die Art der Schwerkraft, die auf oder in der Nähe von Sternen und anderen Planeten innerhalb einer Glaskugel mit einem Durchmesser von 3 Zentimetern (etwa 1,2 Zoll) existiert. Dazu verwendeten sie Schallwellen, um ein kugelförmiges Gravitationsfeld zu erzeugen und eine Plasmakonvektion zu erzeugen – ein Prozess, bei dem sich Gas abkühlt, wenn es sich der Oberfläche eines Körpers nähert, und sich dann wieder erwärmt und wieder aufsteigt, wenn es sich dem Kern nähert – wodurch ein Flüssigkeitsstrom entsteht erzeugt wiederum einen magnetischen Strom.

Die Leistung könnte Wissenschaftlern helfen, die einschränkende Rolle der Schwerkraft in Experimenten zu überwinden, die darauf abzielen, die Konvektion zu modellieren, die in Sternen und anderen Planeten auftritt.

„Die Leute waren so daran interessiert, die sphärische Konvektion mit Laborexperimenten zu modellieren, dass sie tatsächlich ein Experiment in das Space Shuttle einbauten, weil sie kein ausreichend starkes zentrales Kraftfeld auf den Boden bekommen konnten“, sagte Seth Putterman, ein UCLA-Physikprofessor und der leitende Autor der Studie. „Was wir gezeigt haben, ist, dass unser System aus mikrowellenerzeugtem Schall eine so starke Schwerkraft erzeugt, dass die Schwerkraft der Erde keine Rolle mehr spielte. Wir müssen nicht mehr in den Weltraum fliegen, um diese Experimente durchzuführen.“

UCLA-Forscher verwendeten Mikrowellen, um Schwefelgas in der Glaskugel auf 5.000 Grad Fahrenheit zu erhitzen. Die Schallwellen im Inneren der Kugel wirkten wie die Schwerkraft und zwangen die Bewegung des heißen, schwach ionisierten Gases, bekannt als Plasma, zu Mustern, die den Plasmaströmen in Sternen ähnelten.

„Schallfelder wirken wie Schwerkraft, zumindest wenn es darum geht, die Konvektion in Gas anzutreiben“, sagte John Koulakis, ein UCLA-Projektwissenschaftler und Erstautor der Studie. „Durch die Verwendung von durch Mikrowellen erzeugtem Schall in einem kugelförmigen Kolben aus heißem Plasma haben wir ein Gravitationsfeld erreicht, das 1.000-mal stärker ist als die Gravitation der Erde.“

Auf der Erdoberfläche steigt heißes Gas auf, weil die Schwerkraft dichteres, kälteres Gas näher am Zentrum des Planeten hält.

Tatsächlich fanden die Forscher heraus, dass sich heißes, helles Gas in der Nähe der äußeren Hälfte der Kugel auch nach außen zu den Wänden der Kugel bewegte. Die starke, anhaltende Schwerkraft erzeugte Turbulenzen, die denen ähnelten, die nahe der Sonnenoberfläche zu sehen sind. In der inneren Hälfte der Kugel änderte die akustische Schwerkraft ihre Richtung und zeigte nach außen, wodurch heißes Gas in die Mitte sank. Im Experiment hielt die akustische Gravitation das heißeste Plasma natürlich im Zentrum der Kugel, wo es auch in Sternen vorkommt.

Die Fähigkeit, Plasma so zu steuern und zu manipulieren, dass es die Sonnen- und Planetenkonvektion widerspiegelt, wird Forschern dabei helfen, zu verstehen und vorherzusagen, wie sich das Sonnenwetter auf Kommunikationssysteme von Raumfahrzeugen und Satelliten auswirkt. Im vergangenen Jahr hat beispielsweise ein Sonnensturm 40 SpaceX-Satelliten zerstört. Das Phänomen war auch für die Militärtechnologie problematisch. Die Bildung von turbulentem Plasma um Hyperschallraketen beispielsweise kann die Kommunikation von Waffensystemen stören.

Putterman und seine Kollegen erweitern nun das Experiment, um die von ihnen untersuchten Bedingungen besser zu replizieren und das Phänomen detaillierter und über längere Zeiträume beobachten zu können.