Talento

Compreendendo as imperfeições em ímãs de fusão
Richard Ibekwe, pesquisador do MIT Energy, encontra falhas em fitas supercondutoras de alta temperatura para que possam ser medidas, corrigidas ou adotadas.
Por Paul Rivenberg - 17/03/2021


“Três coisas que sempre me fascinaram foram aprender como as coisas funcionam, descobrir como consertá-las e usar esse conhecimento para servir e cuidar das pessoas ao meu redor", disse o estudante de graduação do PSFC Richard Ibekwe. Créditos: Foto: Gretchen Ertl

“Eu sempre esperei ficar no MIT por quatro anos, conseguir meu diploma de graduação no final e provavelmente voltar para o Reino Unido.”

Richard Ibekwe relembra suas primeiras suposições sobre sua trajetória acadêmica no MIT. Agora ele é um candidato a PhD em ciência e engenharia nuclear (NSE) trabalhando no Centro de Ciência e Fusão de Plasma (PSFC), dedicado à pesquisa de fusão de longo prazo no MIT, com foco em tecnologia de ímã. Recebedor de vários prêmios de graduação, Ibekwe recebeu apoio de pós-graduação da MIT Energy Initiative, que o alistou como um MIT Energy Fellow, patrocinado pela Commonwealth Fusion Systems . Ele também é o atual presidente do capítulo de estudantes do MIT da American Nuclear Society (ANS).                                                          

“Três coisas que sempre me fascinaram”, diz ele, “foram aprender como as coisas funcionam, descobrir como consertá-las e usar esse conhecimento para servir e cuidar das pessoas ao meu redor. Crescendo, isso se manifestou em construir e mexer nas coisas - primeiro os brinquedos e depois faça você mesmo pela casa. Agora eu vejo a fusão se encaixando nesse interesse: existem poucos problemas tão difíceis de resolver ou que podem ter um impacto potencial positivo tão profundo em nosso planeta e em toda a humanidade. ”

A fusão, a reação que abastece o Sol e outras estrelas, é uma fonte potencialmente infinita de energia livre de carbono na Terra, se ela puder ser aproveitada. Muitas pesquisas têm favorecido o aquecimento do combustível de hidrogênio dentro de um dispositivo em forma de donut chamado tokamak, criando plasma que é quente e denso o suficiente para que a fusão ocorra. Como o plasma segue as linhas do campo magnético, esses dispositivos são envoltos em ímãs para evitar que o combustível quente danifique as paredes da câmara.

O interesse de Ibekwe pela fusão se desenvolveu apenas em seu último ano, depois de fazer uma aula introdutória de design com o professor assistente Zachary Hartwig da NSE.

“Como um estudante de graduação, à distância, a fusão parecia um esforço muito esotérico, muito pesado em física. Minha formação foi muito mais focada em engenharia ”, diz ele. “Fui inspirado pelos ensinamentos de Zach e pela maneira como ele fundiu a ciência e a engenharia da pesquisa de fusão.”

Quando Ibekwe se inscreveu para ingressar na equipe de Hartwig como aluno de doutorado, ele não estava ciente do futuro que estava se formando no PSFC. Um tokamak chamado SPARC estava sendo projetado usando um novo supercondutor de alta temperatura (HTS), uma fita que permitia correntes elétricas maiores e campos magnéticos mais elevados do que as bobinas supercondutoras tradicionais: sugeria um caminho para uma usina de fusão menor e mais barata que poderia ser construído mais rapidamente do que os projetos internacionais atualmente

“Achei que a fusão seria um assunto legal para se envolver”, diz Ibekwe. “Foi uma surpresa feliz descobrir que a SPARC estava em andamento.”

Como muito do sucesso do SPARC depende da nova tecnologia de supercondutores, não é surpreendente que Ibekwe e seus colegas a estejam pesquisando. Como os supercondutores de alta temperatura podem lidar com campos magnéticos maiores do que os supercondutores regulares, eles são ideais para tokamaks. 

“Acontece que quase tudo sobre o processo de fusão fica muito melhor e mais favorável quando você aumenta o campo magnético”, diz Ibekwe. Mas ele se pergunta o que pode impactar negativamente esse processo. Como as falhas nas fitas HTS podem afetar o desempenho do tokamak?

À medida que fabricam ímãs com essas fitas finas HTS, Ibekwe e seus colegas fazem uma pergunta-chave: Qual é a corrente crítica? Qual é a corrente máxima que as fitas podem transportar antes de deixarem de ser supercondutoras, perdendo as características que as tornam centrais para o sucesso de um tokamak, como sua capacidade de conduzir grandes correntes elétricas sem resistência elétrica?

“Ao produzir essas fitas - esses fios finos em forma de fita - o objetivo é torná-las o mais alta qualidade possível para que a corrente máxima seja alta e uniforme em todo o comprimento do fio. Acontece que ao fabricar essas fitas, porque talvez ela fique amassada ou uma partícula de poeira caia na fita durante o crescimento do cristal, isso resulta em regiões onde a corrente crítica é muito mais baixa. Chamamos isso de abandono. ”

A corrente crítica cai nesses locais e o supercondutor experimenta resistência elétrica. A área esquenta, produzindo uma situação em que o calor se expande, fazendo com que todo o cabo perca a condutividade. Para tirar o melhor proveito dessa situação, os engenheiros podem tentar cortar quaisquer defeitos na fita e usar um comprimento mais curto ou podem produzir um novo comprimento de fita para conseguir o que desejam. Mas esse processo corretivo pode ser caro e demorado.

Ibekwe está abraçando as imperfeições, mergulhando profundamente nas falhas das fitas HTS na tentativa de oferecer soluções pragmáticas. 

“Primeiro”, diz ele, “vamos medir e entender o efeito desses defeitos no desempenho das fitas supercondutoras, o que realmente não foi feito antes em detalhes. Em segundo lugar, precisamos descobrir quantitativamente a gravidade de um defeito que podemos suportar. Em terceiro lugar, como podemos criar ímãs que contêm defeitos de tal forma que ainda podemos fazer ímãs utilizáveis ​​e eficientes? ”

Ibekwe acredita que pode ter herdado sua abordagem pragmática de seus pais, que se mudaram da Nigéria para estudar em Londres antes de Richard nascer. Sua mãe completou seu doutorado em nutrição infantil enquanto ele crescia. 

“Acho que recebi a influência acadêmica dela”, diz ele. “Meu pai é empreiteiro de obras. Há o elemento do aspecto prático em mim vindo dele. ”

A pesquisa preliminar de Ibekwe sugere que os ímãs de fita HTS em que ele está trabalhando são intrinsecamente mais tolerantes à presença de defeitos do que os supercondutores de baixa temperatura.

“O desafio”, diz ele, “é criar um guia de design que mostre aos engenheiros que estão construindo esses ímãs o que é aceitável e o que não é”.

Ibekwe quer continuar trabalhando nos problemas desafiadores em fusão e campos relacionados, tendo uma abordagem holística que é inspirada em parte por sua liderança na ANS, que este ano ofereceu oportunidades para abordar questões relacionadas à saúde, isolamento, diversidade, equidade e inclusão . Ele enxerga a carreira acadêmica como uma boa forma de atingir esse objetivo.

“Quero lutar não apenas com as questões científicas e de engenharia, mas também com as questões sociais e políticas, filosóficas e éticas”, diz ele. “Acho que a universidade é o melhor lugar para fazer isso.”

 

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