Nauki ścisłe [2021-08-02]

Energia pod kontrolą

— Redakcja

Naukowcy z Wydziału Chemii UMK zaproponowali nowe podejście teoretyczne do opisu obiecującego procesu pozwalającego na czerpanie "na życzenie" energii zgromadzonej wcześniej w jądrowych stanach izomerycznych. Artykuł na ten temat ukazał się właśnie w prestiżowym czasopiśmie "Physical Review Letters".

Autorami artykułu "Novel Approach to ^93mMo Isomer Depletion: Nuclear Excitation by Electron Capture in Resonant Transfer Process" ("Nowy teoretyczny opis procesu wymuszonego uwalniania energii z jądrowych stanów izomerycznych") jest trójka naukowców z Wydziału Chemii UMK: prof. dr hab. Marek Polasik, dr hab. Katarzyna Słabkowska, prof. UMK i dr Łukasz Syrocki oraz prof. James "Jeff" Carroll i prof. Christopher Chiara z Narodowego Laboratorium Armii Stanów Zjednoczonych i dr hab. Jacek Rzadkiewicz, prof. NCBJ z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku.

Niewielka część jąder atomowych może tworzyć wysoko wzbudzone stany metastabilne zwane stanami izomerycznymi. Z punktu widzenia rozwoju nowych form magazynowania i uwalniania energii, szczególnie interesująca jest klasa izomerów charakteryzujących się wysoką energią wzbudzenia i długim czasem rozpadu – tłumaczy prof. dr hab. Marek Polasik.

W 2018 r. międzynarodowa grupa badaczy, również z udziałem naukowców z UMK oraz NCBJ, poinformowała o pierwszej bezpośredniej obserwacji wymuszonego uwolnienia energii z izomeru ^93mMo w wyniku oddziaływania ciężkich jonów z atomami tarczy. Uwolnienie energii zostało przypisane procesowi wzbudzenia jądrowego w wyniku wychwytu elektronu (ang. nuclear excitation by electron capture, NEEC). Co więcej, eksperyment przeprowadzony w USA na liniowym akceleratorze ciężkich jonów ATLAS (w Argonne National Laboratory, ANL) pokazał zaskakująco duże prawdopodobieństwo procesu NEEC (PNEEC ≈ 0,01).

Nasze nowe podejście teoretyczne, mimo że tylko nieznacznie przesuwa górny limit teoretyczny na całkowite prawdopodobieństwo procesu NEEC dla izomeru ^93mMo w stosunku do wartości eksperymentalnej, pokazuje istotność uwzględnienia profilu Comptona w opisie teoretycznym, w szczególności dla powłoki L jonu ^93mMo, dla której prawdopodobieństwo uwalniania energii wzrasta o kilka rzędów wielkości w stosunku do wartości uzyskiwanych w modelach rekombinacyjnych – wyjaśnia dr hab. Katarzyna Słabkowska, prof. UMK.

Naukowcy z Torunia we współpracy z fizykami jądrowymi z USA i Australii zamierzają w sierpniu tego roku przeprowadzić eksperyment na najpotężniejszym spektrometrze Gammasphere w ANL.

- Na bieżąco będziemy weryfikowali nasze teoretyczne przewidywania z pomiarami eksperymentalnymi. W eksperymencie tym zostanie podjęta próba obserwacji wymuszonego uwalniania energii z izomeru ^127mCs – tłumaczy dr Łukasz Syrocki. - Tym razem zadanie wydaje się nieco trudniejsze niż w przypadku izomeru^93mMo, gdyż czas połowicznego zaniku izomeru ^127mCs wynosi zaledwie T_1/2 = 55 µs (dla izomeru ^93mMo T_1/2 = 6.85 h). Stosunkowo krótki czas życia izomeru ^127mCs implikuje konieczność precyzyjnego zaplanowania i przeprowadzenia eksperymentu oraz zastosowanie zaawansowanych analiz koincydencyjnych pomiędzy odpowiednimi przejściami gamma zasilającymi ten izomer i tymi, które wskazują na jego wymuszony rozpad.

Badania naukowców są niezwykle istotne nie tylko z punktu widzenia nauk podstawowych, takich jak teoria struktury wysokospinowych jąder, ale również mogą być punktem wyjścia dla różnorodnych aplikacji o zaawansowanym charakterze technologicznym. Przykładem mogą być niekonwencjonalne i ultrawydajne baterie jądrowe. Aplikacje te mogą służyć zasilaniu napędów pojazdów i statków używanych w trudno dostępnych lokalizacjach na Ziemi, np. na dnie oceanów lub w kraterach wulkanicznych i przestrzeni kosmicznej.