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Os pesquisadores descobrem uma corrente elanãtrica inesperada que pode estabilizar as reações de fusão
A fusão éo processo que esmaga os elementos leves na forma de plasma - o estado quente e carregado da matéria composto de elanãtrons livres e núcleos ata´micos - gerando grandes quantidades de energia.
Por Raphael Rosen - 06/09/2020


Uma representação arta­stica da corrente elanãtrica fluindo atravanãs de uma instalação de fusão tokamak. Crédito: Elle Starkman

A corrente elanãtrica estãoem toda parte, desde alimentar casas atécontrolar o plasma que alimenta as reações de fusão e possivelmente dar origem a vastos campos magnanãticos ca³smicos. Agora, cientistas do Laborata³rio de Fa­sica de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) descobriram que as correntes elanãtricas podem se formar de maneiras antes desconhecidas. As novas descobertas podem dar aos pesquisadores maior capacidade de trazer a energia de fusão que impulsiona o Sol e as estrelas para a Terra.

"a‰ muito importante entender quais processos produzem correntes elanãtricas no plasma e quais fena´menos podem interferir nelas", disse Ian Ochs, estudante de graduação no Programa de Fa­sica de Plasmas da Universidade de Princeton e autor principal de um artigo selecionado como artigo de destaque na Physics of Plasmas . "Eles são a principal ferramenta que usamos para controlar o plasma na pesquisa de fusão magnanãtica."

A fusão éo processo que esmaga os elementos leves na forma de plasma - o estado quente e carregado da matéria composto de elanãtrons livres e núcleos ata´micos - gerando grandes quantidades de energia. Os cientistas estãotentando replicar a fusão para um suprimento virtualmente inesgota¡vel de energia para gerar eletricidade.

 "O que me excita especialmente", disse Fisch, "éque o formalismo matema¡tico que Ochs construiu, junto com as intuições físicas e os insights que adquiriu, agora o coloca em uma posição de desafiar ou de estabelecer uma base sãolida atécomportamento mais curioso nas interações de ondas compartículas ressonantes no plasma . "


As correntes inesperadas surgem no plasma dentro de instalações de fusão em forma de donut conhecidas como tokamaks. As correntes se desenvolvem quando um tipo especa­fico de onda eletromagnanãtica, como aquelas emitidas por ra¡dios e fornos de microondas, se forma espontaneamente. Essas ondas empurram alguns dos elanãtrons já em movimento, "que surfam na onda como os surfistas em uma prancha de surfe", disse Ochs.

Mas as frequências dessas ondas são importantes. Quando a frequência éalta, a onda faz com que alguns elanãtrons se movam para frente e outros para trás. Os dois movimentos se cancelam e nenhuma corrente ocorre.

No entanto, quando a frequência ébaixa, as ondas empurram os elanãtrons para a frente e para trás nos núcleos ata´micos, ou a­ons, criando uma corrente elanãtrica la­quida, afinal. Ochs descobriu que os pesquisadores podiam criar essas correntes surpreendentemente quando a onda de baixa frequência era um tipo especa­fico chamado "onda acústica ia´nica", que se assemelha a s ondas sonoras no ar.

O significado desta descoberta se estende desde a escala relativamente pequena do laboratório atéa vasta escala do cosmos. "Existem campos magnanãticos em todo o universo em diferentes escalas, incluindo o tamanho das gala¡xias, e não sabemos realmente como eles chegaram la¡", disse Ochs. "O mecanismo que descobrimos pode ter ajudado a semear campos magnanãticos ca³smicos, e quaisquer novos mecanismos que possam produzir campos magnanãticos são interessantes para a comunidade astrofa­sica."

Os resultados dos ca¡lculos feitos com la¡pis e papel consistem em expressaµes matemáticas que da£o aos cientistas a capacidade de calcular como essas correntes, que ocorrem sem os elanãtrons interagindo diretamente, se desenvolvem e crescem. "A formulação dessas expressaµes não foi direta", disse Ochs. "Tivemos que condensar as descobertas para que fossem suficientemente claras e usassem expressaµes simples para capturar a física chave."

Os resultados aprofundam a compreensão de um fena´meno fa­sico ba¡sico e também são inesperados. Eles parecem contradizer a noção convencional de que os motores de corrente requerem colisaµes de elanãtrons, disse Ochs.

"A questãode saber se as ondas podem conduzir qualquer corrente no plasma érealmente muito profunda e vai para as interações fundamentais das ondas no plasma", disse Nathaniel Fisch, co-autor do artigo, professor e presidente associado do Departamento de Ciências Astrofísicas, e diretor do Programa de Fa­sica dos Plasmas. "O que Ochs derivou de maneira dida¡tica e magistral, com rigor matema¡tico, não foi apenas como esses efeitos a s vezes são equilibrados, mas também como esses efeitos a s vezes conspiram para permitir a formação de correntes elanãtricas la­quidas."

Essas descobertas estabelecem as bases para pesquisas futuras. "O que me excita especialmente", disse Fisch, "éque o formalismo matema¡tico que Ochs construiu, junto com as intuições físicas e os insights que adquiriu, agora o coloca em uma posição de desafiar ou de estabelecer uma base sãolida atécomportamento mais curioso nas interações de ondas compartículas ressonantes no plasma . "

 

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