Tutkijat pääsivät kvanttiturbulenssin jäljille - turbulenssin ymmärtämisestä voi olla apua niin sään ennustamisessa kuin autojen suunnittelussakin

Lentomatkustamisesta monille niin tuttu turbulenssi on todellisuudessa jopa fyysikoille äärimmäisen hankala ilmiö. Samat voimat, jotka heiluttavat lentokoneita ovat läsnä niin lasillisessa vettä kuin jopa atomia pienempien hiukkasten pyörteissäkin. Turbulenssia ei kuitenkaan voi tarkasti laskea tai mallintaa tietokoneilla – yksikään tietokone ei pysty käsittelemään vaadittavaa tietomäärää.

Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet pääsemään lähemmäs turbulenssin ymmärtämistä tuoreella kvanttiturbulenssia selittävällä tutkimuksellaan, joka vahvisti ensimmäistä kertaa maailmassa teoreettisen mallin, joka selittää energian katoamista kvanttiturbulenssissa. Tutkimus julkaistiin äskettäin arvostetussa Nature Physics -lehdessä.

Turbulenssi tarkoittaa nesteen tai kaasun virtauksen nopeita suunnan tai nopeuden muutoksia. Tutkijat ympäri maailmaa ovat yrittäneet ymmärtää turbulenssia muun muassa supranesteiden avulla. Ne ovat aineita, jotka lämpötilan lähestyessä absoluuttista nollapistettä voivat virrata lähes kitkatta. Tämän seurauksena supraneste ei esimerkiksi pysy astiassa, vaan karkaa astian reunan yli.

Supranesteissä esiintyvän turbulenssin aiheuttavat äärimmäisen pienet, keskenään samanlaiset kvanttipyörteet. Tutkijoiden tavoitteena on ollut selvittää, miten turbulenssi supranesteissä syntyy näiden pyörteiden vuorovaikutuksista, ja miten ne kytkeytyvät supranesteen ominaisuuksiin suuremmilla pituusskaaloilla.

Aalto-yliopiston vanhemman tutkijan Vladimir Eltsovin johtama tutkimusryhmä tarkkaili turbulenssin esiintymistä supranesteessä, käyttäen helium-3-isotooppia. Ainetta käsiteltiin Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa sijaitsevassa ainutlaatuisessa pyörivässä superpakastimessa eli kryostaatissa, joka kykenee jäähdyttämään näytteen yli miljoona kertaa huoneenlämpötilaa matalampiin lämpötiloihin. Kryostaatti on osa kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Kokeessa niin sanotut Kelvin-aallot yksittäisissä kvanttipyörteissä työntävät energiaa yhä pienemmille ja pienemmille pituusskaaloille – aina siihen saakka, kunnes energia alkoi kadota pyörteistä lämpönä.

”Energian katoaminen kvanttipyörteistä äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa on ollut keskeinen ongelma kvanttiturbulenssin tutkimuksessa. Osoitimme ensimmäistä kertaa kokeellisesti Kelvin-aaltojen aiheuttaman energian katoamisen kvanttipyörteistä,” kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, tutkijatohtori Jere Mäkinen Aalto-yliopistosta.

Tulevaisuudessa turbulenssin parempi ymmärrys voi auttaa kaikkialla, missä nesteiden ja kaasujen, kuten veden ja ilman, liikkeen hallinta on olennaista.

”Tutkimuksemme turbulenssin pienimmillä rakennuspalikoilla voi avata tietä koko ilmiön laajempaan hyödyntämiseen. Klassisen turbulenssin paremmalla ymmärryksellä on valtavasti erilaisia käytännön mahdollisuuksia, esimerkiksi ajoneuvojen aerodynamiikan kehittämisessä, vesiputkien suunnittelussa tai vaikka sään ennustamisessa,” Mäkinen sanoo.

Seuraavaksi tutkimusryhmä aikoo päästä käsiksi yksittäiseen kvanttipyörteeseen supranesteeseen upotettujen vain millimetrin miljoonasosien kokoisten laitteiden avulla. Mäkisen mukaan vielä ei tiedetä mitä yksittäistä pyörrettä käsitellessä voi tapahtua.

Tutkimus Nature Physics -julkaisussa: https://www.nature.com/articles/s41567-023-01966-z