Cientistas alcançaram um avanço notável no projeto conceitual de estelaradores sinuosos, instalações magnéticas experimentais que podem reproduzir na Terra a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas. A descoberta mostra como moldar com mais precisão os campos magnéticos envolventes nos estelaradores para criar uma capacidade sem precedentes de manter o combustível de fusão unido.
"O principal foi desenvolver um software que permitisse experimentar rapidamente novos métodos de design", disse Elizabeth Paul, bolsista de pós-doutorado presidencial da Universidade de Princeton no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos e co -autor de um artigo que detalha a descoberta em Physical Review Letters. Os resultados produzidos por Paul e o principal autor Matt Landreman, da Universidade de Maryland, podem aumentar a capacidade dos estelaradores de colher a fusão para gerar energia elétrica segura e livre de carbono para a humanidade.
Renascimento do Stellarator
Os Stellarators, inventados pelo astrofísico de Princeton e fundador do PPPL Lyman Spitzer na década de 1950, há muito tempo ficaram em segundo plano em relação aos tokamaks no esforço mundial para produzir energia de fusão controlada. Mas os desenvolvimentos recentes que incluem o desempenho impressionante do stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) na Alemanha, os extensos resultados do Large Helical Device (LHD) no Japão, os resultados promissores do Helically Symmetric Experiment (HSX) em Madison , Wisconsin, e o uso proposto de ímãs permanentes simples para substituir bobinas estelaradoras complexas criaram um renascimento do interesse nas máquinas sinuosas.
A física Elizabeth Paul e Matt Landreman com figuras ilustrativas atrás deles. Crédito: Arthur Lin para a foto de Paul, Faye Levine para a foto de Landreman; figuras superiores esquerda e direita do papel PRL; visualizações geradas por computador na parte inferior de um tokamak, à esquerda, e um stellarator, à direita por Paul e Landreman. Colagem de Kiran Sudarsanan.
A fusão cria uma vasta energia em todo o universo combinando elementos leves na forma de plasma, o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, que compõem 99% do universo visível. Os Stellarators poderiam produzir versões de laboratório do processo sem o risco de interrupções prejudiciais que as instalações de fusão tokamak mais amplamente utilizadas enfrentam.
No entanto, os campos magnéticos tortuosos em estelaradores têm sido menos eficazes em confinar os caminhos dos íons e elétrons do que os campos simétricos em forma de rosquinha em tokamaks rotineiramente, causando uma grande e sustentada perda do calor extremo necessário para trazer os íons juntos para liberar a energia de fusão. Além disso, as bobinas complexas que produzem os campos do estelarador são difíceis de projetar e construir.
O avanço atual produz o que é chamado de “quase simetria” em estelaradores para quase igualar a capacidade de confinamento dos campos simétricos de um tokamak. Embora os cientistas há muito procurem produzir quasisimetria em estelaradores torcidos, a nova pesquisa desenvolve um truque para criá-la com quase precisão. O truque usa um novo software de código aberto chamado SIMSOPT (Simons Optimization Suite), projetado para otimizar estelaradores refinando lentamente a forma simulada do limite do plasma que marca os campos magnéticos. “A capacidade de automatizar as coisas e experimentá-las rapidamente com este novo software torna essas configurações possíveis”, disse Landreman.
Os cientistas também podem aplicar as descobertas ao estudo de problemas astrofísicos, disse ele. Na Alemanha, uma equipe está desenvolvendo um estelarador quase simétrico para confinar e estudar partículas de antimatéria como as encontradas no espaço. “É exatamente o mesmo desafio da fusão”, disse Landreman. “Você só precisa garantir que as partículas permaneçam confinadas.”
Suposições revolucionárias
A inovação fez algumas suposições simplificadoras que exigirão melhorias. Para simplificar, por exemplo, a pesquisa considerou um regime em que a pressão e a corrente elétrica no plasma eram pequenas. “Fizemos algumas suposições simplificadoras, mas a pesquisa é um passo significativo porque mostramos que você pode realmente obter uma quase-simetria precisa que por muito tempo se pensou ser impossível”, disse Paul.
Também precisando de mais desenvolvimento antes que as descobertas possam ser realizadas, estão as novas bobinas do estelarador e a engenharia detalhada do projeto do estelarador. O campo magnético pode ser fornecido em parte pelos ímãs permanentes que a PPPL está desenvolvendo para simplificar as bobinas estelaradoras torcidas de hoje. “As maiores peças que faltam são os ímãs, a pressão e a corrente”, disse Landreman.
O trabalho de Paul no jornal PRL está entre as conquistas durante o segundo ano de sua bolsa presidencial em Princeton. Ela já ganhou o altamente competitivo prêmio Marshall N. Rosenbluth de tese de doutorado em 2021 da American Physical Society por sua dissertação na Universidade de Maryland, da qual Landreman foi um orientador. Ela agora trabalha com o aluno de pós-graduação do PPPL Richard Nies, que recentemente publicou um artigo que aplica as ferramentas matemáticas que sua tese de Maryland desenvolveu para acelerar a produção de quasisimetria.
Supervisionando o trabalho de Paul em Princeton está o físico do PPPL Amitava Bhattacharjee, um professor de ciências astrofísicas de Princeton que também supervisiona o projeto “Hidden Symmetries and Fusion Energy” patrocinado pela Fundação Simons em Nova York que financiou o artigo da PRL. “O trabalho de Matt e Elizabeth faz uso hábil das ferramentas matemáticas e computacionais desenvolvidas nos últimos anos na otimização do estelarador e estabelece, sem sombra de dúvida, que podemos projetar campos magnéticos estelares quase simétricos com um nível de precisão sem precedentes. É um triunfo do design computacional.”
O trabalho do Stellarator no projeto Simons é paralelo à pesquisa PPPL para desenvolver o dispositivo promissor que o Laboratório inventou há cerca de 70 anos. Tal desenvolvimento combinaria as melhores características de stellarators e tokamaks para projetar uma instalação livre de interrupções com forte confinamento de plasma para reproduzir uma fonte virtualmente ilimitada de energia de fusão.
Referência: “Magnetic Fields with Precise Quasisymmetry for Plasma Confinement” por Matt Landreman e Elizabeth Paul, 18 de janeiro de 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.035001
