Tiede

Simulaatio näyttää sekunnin biljoonasosan tarkkuudella, mitä hiukkaspommitus tekee fuusioreaktorin seinälle

Ioni mäjähtää pintaan niin nopeasti, että kamera ei tavoita törmäyksen kulkua. Se pitää mallintaa.

Hiukkaskiihdytinlaboratoriossa Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella tehdään muutakin kuin törmäytetään putkessa oikeita hiukkasia.

Laskennallisen materiaalifysiikan professori Kai Nordlund on rakennellut vuodesta 1992 alkaen huoneessaan tietokonesimulaatioita hiukkasten törmäyksistä pintoihin.

Monet simulaatiot liittyvät siihen, miten fuusioreaktorin satamiljoona-asteisesta plasmasta vuotavat hiukkaset vaurioittavat eri pintoja. Tieto auttaa kehittämään ja valitsemaan materiaaleja tulevaisuuden reaktoreiden sisäseiniin.

”Törmäys on ohi muutamassa pikosekunnissa eli sekunnin biljoonasosassa, joten paraskin kamera ehtii nähdä vain lopputuloksen. Simulaatiossa sen sijaan nähdään, miten törmäys tapahtuu ja miksi se aiheuttaa vauriota”, Nordlund sanoo.

Tällainen mallinnus on luonteeltaan matemaattista arvoituksen ratkaisua. Tiedetään alkutilanne ja tiedetään miltä vauriot lopulta näyttävät, mutta tutkijan pitää säveltää väliin algoritmi, joka tuottaa muutokset.

Yksittäiset ionit tekevät metallipintoihin monttuja. Ne sulattavat metallia, ja metallisula pulppuilee joka suuntaan.

”Isommat, noin 10 000 atomin kokoiset nanopartikkelit tuottavat kraattereita samaan tapaan kuin meteoriitit planeettojen ja tähtien pinnalle”, Nordlund kertoo.

Meteoriitin alle iskemäkohtaan muodostuu korkean paineen alue, joka lopulta räjähtää. Sama näkyy simulaatiokuvassa.

Teksti jatkuu kuvan jälkeen.

Tekemällä osa kokeista tekoälyllä säästetään paljon rahaa. Yritykset koodata törmäysreaktioita algoritmeiksi tuottavat myös uusia oivalluksia luonnon omasta logiikasta.

Monesti jonkin törmäyksen mekaniikan ymmärtämiseksi törmäytetään aivan toisia aineita. Esimerkiksi fuusio­reaktorin sisäseinän kestävyyttä simuloidaan ampumalla ksenonia kultalevyyn.

”Eihän fuusioreaktorissa oikeasti ole kultaa. Se on kallista, ja lisäksi se sulaisi reaktion kuumuudessa.”

Fuusioreaktiossa ei myöskään juuri synny ksenonia. Oikeasti fuusioreaktorin sisäseinä on usein volframia, ja sen pitää kestää reaktiossa syntyvän vedyn ja heliumin pommitusta.

Kulta ja ksenon kuitenkin soveltuvat laboratorio-oloihin helpommin ja halvemmin kuin volframi ja vety.

”Törmäysreaktiot ovat riittävän samanlaisia, jotta tästä kaikesta tutkimuksesta ja mallinnuksesta on hyötyä materiaalien kestävyyden kehittämiseen”, Nordlund sanoo.

Nordlund simuloi myös puhtaan piin ioni-implantointia. Se tarkoittaa, että pienillä hiukkaskiihdyttimillä ammutaan arseenia, booria tai fosforia piilevyn sisälle.

Arseenissa ja fosforissa on yksi ylimääräinen elektroni piihin verrattuna, boorissa yksi vähemmän. Tuo vaeltava elektroni tai elektronivajaus saa aikaan sen, että pii tulee sähköisesti aktiiviseksi. Tämä mahdollistaa on- ja off-tiloihin perustuvan tietokonemaailman.

Teollisuuden kannalta haaste on optimoida hiukkaset osumaan piihin sopivalla nopeudella. Niiden pitää tunkeutua materiaaliin, mutta samalla niiden pitäisi aiheuttaa piilevyyn mahdollisimman vähän vaurioita.

Nykyisin tietokonesirut ovat useimmiten kolmiulotteisia ja sisältävät piilevyn sijasta piinanolankoja.

Simulaatioissa ja kokeissa Nordlund on havainnut, että nanolanka kestää ioni-säteilytystä heikommin kuin piilevy.

”Tämä on loogista, koska langassa on suhteessa enemmän pintaa.”

HS Digistä löydät Hesarin juttuarkiston helmet
Saat tilaajana kokeilla HS Digiä maksutta
Tilaajille
Haluatko lukea koko artikkelin?

    Seuraa uutisia tästä aiheesta

  • Tiede
  • mallinnus

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    1. 1

      ”Ota poikasi kainaloon” – Jos haluat kasvattaa pojan, joka ei ahdistele, yksi kikka on lastenpsykiatri Jari Sinkkosen mukaan ylitse muiden

    2. 2

      Moni suomalainen syö maksansa sairaaksi – jo joka viidennellä on rasvamaksa, eikä tulevaisuus näytä erikoislääkärin mukaan hyvältä

    3. 3

      Kuura Maula ei kutsu lastaan pojaksi, Maisa Leppänen antoi poikansa pukeutua mekkoon – Näin toimii vanhempi, joka haluaa kasvattaa lapsensa feministisesti

      Tilaajille
    4. 4

      Stalinin alkuperäiset dokumentit lopettavat turhan arvuuttelun – nyt tiedetään luotettavasti, mitä Moskova suunnitteli Suomen varalle

    5. 5

      30-vuotias mies kertoi kokemuksistaan HS:n ahdistelukyselyssä: ”Hävetti kamalasti, miten hallitsemattomasti olin käyttäytynyt – En ollut ottanut todesta hienovaraisia vihjeitä siitä, etten ollut toivottu”

    6. 6

      Perussuomalaisten puoluetoimisto kehottaa vaikenemaan kuntapäättäjien rikostuomioista – ”luottamuksellisia asioita” eikä ”mitään tietoa ulkopuolisille”

    7. 7

      Aleksis Salusjärvi oli lukiossa, kun nainen kavahti häntä ensi kerran bussipysäkillä – #MeToo-kampanja herätti miehet kertomaan, miltä tuntuu, kun nainen pelkää

    8. 8

      ”Kaikki alalla olevat tietävät sen ringin” – Suomen elokuva-alalta kerätyssä kymmenien ahdistelukertomusten aineistossa muutama nimi toistuu

    9. 9

      Pienet synttärit riistäytyivät täysin käsistä Helsingin Käpylässä – 40 kuokkavierasta, pahoinpitely ja varastelua

    10. 10

      Mikko Andelin, 41, nukkui kuukausikaupalla vain kolme tuntia yössä – sitten järvenpääläislääkäri puuttui asiaan ja tarjosi lääkkeetöntä hoitoa

      Tilaajille
    11. Näytä lisää
    1. 1

      ”Kaikki alalla olevat tietävät sen ringin” – Suomen elokuva-alalta kerätyssä kymmenien ahdistelukertomusten aineistossa muutama nimi toistuu

    2. 2

      Aleksis Salusjärvi oli lukiossa, kun nainen kavahti häntä ensi kerran bussipysäkillä – #MeToo-kampanja herätti miehet kertomaan, miltä tuntuu, kun nainen pelkää

    3. 3

      Kuura Maula ei kutsu lastaan pojaksi, Maisa Leppänen antoi poikansa pukeutua mekkoon – Näin toimii vanhempi, joka haluaa kasvattaa lapsensa feministisesti

      Tilaajille
    4. 4

      Sairaanhoitaja Paula Vuotila, 61, eli 30 vuotta ”koulutetun eliittielämää” – sitten hän ajautui asumaan rappukäytävissä

    5. 5

      Mikko Andelin, 41, nukkui kuukausikaupalla vain kolme tuntia yössä – sitten järvenpääläislääkäri puuttui asiaan ja tarjosi lääkkeetöntä hoitoa

      Tilaajille
    6. 6

      Stalinin alkuperäiset dokumentit lopettavat turhan arvuuttelun – nyt tiedetään luotettavasti, mitä Moskova suunnitteli Suomen varalle

    7. 7

      Taloyhtiöriita sai uskomattomat mittasuhteet Helsingin Kruununhaassa: oikeudenkäyntikulut jo 50 000 euroa – eikä loppua vielä näy

    8. 8

      Myös monet työssä käyvät välttelevät työntekoa

    9. 9

      Sote-ratkaisu horjuu jälleen – asiantuntijat laidasta laitaan varoittavat viemästä tuoreinta versiota eteenpäin

    10. 10

      Autokoulunopettaja näytti, miten vaihteita vaihdetaan – Miksi tuntuu paremmalta olla hiljaa ahdistelusta?

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Ossi Nyman ei tee töitä ja sanoo, että työvoimatoimisto on ihmisoikeusloukkaus – näin ”ideologisesti työtön” taktikoi itselleen yhteiskunnan tuet

      Tilaajille
    2. 2

      ”Äiti soittaa”, vilkutti puhelin kuolleen pojan vieressä – oppilas Niina Sassi, poliisi Timo Leppälä ja muut Jokelan koulusurman kokeneet kertovat nyt, millaiset jäljet tragedia jätti

      Tilaajille
    3. 3

      Sairaanhoitaja Paula Vuotila, 61, eli 30 vuotta ”koulutetun eliittielämää” – sitten hän ajautui asumaan rappukäytävissä

    4. 4

      ”Kaikki alalla olevat tietävät sen ringin” – Suomen elokuva-alalta kerätyssä kymmenien ahdistelukertomusten aineistossa muutama nimi toistuu

    5. 5

      ”Sinun hiljaisuutesi on valanut sementtiin itätytön stereotypian, ja se myy lisää poikamiesmatkoja”, kirjoittaa kirjailija Sofi Oksanen avoimessa kirjeessään Melania Trumpille

    6. 6

      Kirjailija kertoi olevansa ”ideologisesti” työtön ja kikkailevansa tukia – TE-toimisto katkaisee tuet ja aloittaa poikkeuksellisen selvityksen

    7. 7

      Aleksis Salusjärvi oli lukiossa, kun nainen kavahti häntä ensi kerran bussipysäkillä – #MeToo-kampanja herätti miehet kertomaan, miltä tuntuu, kun nainen pelkää

    8. 8

      Kiusaajat voittivat Niklas Herlinin

      Tilaajille
    9. 9

      Trumpin lähipiiri pelkää presidentin olevan ”hajoamassa” – avustajat yrittävät pitää presidentin aisoissa, kun hän saapuu toimistolle kiihdyksissään

    10. 10

      Teollisuuden ja median suuromistaja Niklas Herlin on kuollut

    11. Näytä lisää
    Uusimmat
    1. Juuri nyt
    2. Presidentti Niinistö oli Karstulassa kuin kuningas – aiemmin paikalla oli käynyt Kekkosen Neuvostoliitosta saama lahjahevonen
    3. 30-vuotias mies kertoi kokemuksistaan HS:n ahdistelukyselyssä: ”Hävetti kamalasti, miten hallitsemattomasti olin käyttäytynyt – En ollut ottanut todesta hienovaraisia vihjeitä siitä, etten ollut toivottu”
    4. Perussuomalaisten puoluetoimisto kehottaa vaikenemaan kuntapäättäjien rikostuomioista – ”luottamuksellisia asioita” eikä ”mitään tietoa ulkopuolisille”
    5. Useita loukkaantunut ampumisessa Yhdysvaltojen Marylandissa, HS seuraa
    6. Myrkylliset höyryt aiheuttivat uuden EU-päämajan evakuoinnin Brysselissä – jo toinen kerta viikon sisällä
    7. Searching for Sugarman -menestysdokumentin tekijöiltä uusi elokuva japanilaisyhtyeestä – perustaja vierailee Helsingin näytöksessä tänään
    8. Petteri Orpo: Hallitus pääsi sopuun terveydenhuollon valinnanvapaudesta – kiista kärjisti puolueiden välit
    9. Tunti sitten
    10. Moni suomalainen syö maksansa sairaaksi – jo joka viidennellä on rasvamaksa, eikä tulevaisuus näytä erikoislääkärin mukaan hyvältä
    11. Seksuaalinen häirintä on naistaiteilijoille arkea, sanoo kapellimestari Dalia Stasevska
    12. Tenniksen nelinpelin ykköspari Suomessa –”Vakava” John Peers kehuu ”rentoa” Henri Kontista: ”Hän tekee kentällä välillä ihmeellisiä asioita”
    13. Näytä lisää