Dois anos e meio atrás, o MIT firmou um acordo de pesquisa com a empresa startup Commonwealth Fusion Systems para desenvolver um experimento de pesquisa de fusão de próxima geração, chamado SPARC, como um precursor de uma usina de energia prática e livre de emissaµes.

Agora, depois de muitos meses de pesquisa intensiva e trabalho de engenharia, os pesquisadores encarregados de definir e refinar a física por trás do ambicioso projeto do reator publicaram uma sanãrie de artigos resumindo o progresso que fizeram e delineando as principais questões de pesquisa que o SPARC permitira¡.

No geral, diz Martin Greenwald, vice-diretor do Centro de Fusão e Ciência de Plasma do MIT e um dos principais cientistas do projeto, o trabalho estãoprogredindo sem problemas e nos trilhos. Esta sanãrie de artigos fornece um altonívelde confianção na física do plasma e nas previsaµes de desempenho para SPARC, diz ele. Nenhum impedimento ou surpresa inesperado apareceu, e os desafios restantes parecem administra¡veis. Isso estabelece uma base sãolida para a operação do dispositivo uma vez construa­do, de acordo com Greenwald.

Greenwald escreveu a introdução de um conjunto de sete artigos de pesquisa de autoria de 47 pesquisadores de 12 instituições e publicada hoje em uma edição especial do Journal of Plasma Physics . Juntos, os artigos descrevem as bases tea³ricas e empa­ricas da física para o novo sistema de fusão , que o consãorcio espera comea§ar a construir no pra³ximo ano.

SPARC estãoplanejado para ser o primeiro dispositivo experimental a alcana§ar um " plasma em chamas ", isto anã, uma reação de fusão autossustenta¡vel na qual diferentes isãotopos do elemento hidrogaªnio se fundem para formar hanãlio, sem a necessidade de qualquer entrada adicional de energia . Estudar o comportamento desse plasma em chamas - algo nunca antes visto na Terra de forma controlada - évisto como uma informação crucial para o desenvolvimento da próxima etapa, um prota³tipo funcional de uma usina geradora de energia prática .

Essas usinas de fusão podem reduzir significativamente as emissaµes de gases de efeito estufa do setor de geração de energia, uma das principais fontes dessas emissaµes em todo o mundo. O projeto MIT e CFS éum dos maiores projetos de pesquisa e desenvolvimento com financiamento privado já realizado no campo de fusão.

O projeto SPARC, embora com cerca de duas vezes o tamanho do experimento Alcator C-Mod agora aposentado do MIT e semelhante a vários outros reatores de fusão de pesquisa atualmente em operação, seria muito mais poderoso, alcana§ando um desempenho de fusão compara¡vel ao esperado no ITER muito maior reator sendo construa­do na Frana§a por um consãorcio internacional. A alta potaªncia em um tamanho pequeno épossí­vel graças aos avanços nos a­ma£s supercondutores que permitem um campo magnético muito mais forte para confinar o plasma quente.

O projeto SPARC foi lana§ado no ini­cio de 2018 e os trabalhos em sua primeira fase, o desenvolvimento dos a­ma£s supercondutores que permitiriam a construção de sistemas de fusão menores, vem avaçando rapidamente. O novo conjunto de documentos representa a primeira vez que a base física subjacente para a ma¡quina SPARC foi delineada em detalhes em publicações revisadas por pares. Os sete artigos exploram as áreas especa­ficas da física que tiveram que ser refinadas ainda mais e que ainda requerem pesquisas conta­nuas para definir os elementos finais do projeto da ma¡quina e os procedimentos operacionais e testes que estara£o envolvidos conforme o trabalho avana§a em direção a  usina .

Os documentos também descrevem o uso de ca¡lculos e ferramentas de simulação para o projeto de SPARC, que foram testados em muitos experimentos em todo o mundo. Os autores usaram simulações de ponta, executadas em poderosos supercomputadores, que foram desenvolvidas para auxiliar no projeto do ITER. A grande equipe multi-institucional de pesquisadores representada no novo conjunto de artigos teve como objetivo trazer as melhores ferramentas de consenso para o projeto da ma¡quina SPARC para aumentar a confianção de que ela cumprira¡ sua missão.

A análise feita atéagora mostra que a produção de energia de fusão planejada do reator SPARC deve ser capaz de atender a s especificações de projeto com uma margem conforta¡vel de sobra. Ele éprojetado para atingir um fator Q - um para¢metro-chave que denota a eficiência de um plasma de fusão - de pelo menos 2, essencialmente significando que duas vezes mais energia de fusão éproduzida do que a quantidade de energia bombeada para gerar a reação. Essa seria a primeira vez que um plasma de fusão de qualquer tipo produziu mais energia do que consumiu.

Os ca¡lculos neste ponto mostram que o SPARC poderia realmente atingir uma razãoQ de 10 ou mais, de acordo com os novos artigos. Embora Greenwald alerte que a equipe quer ter cuidado para não prometer demais, e ainda hámuito trabalho a ser feito, os resultados atéagora indicam que o projeto pelo menos alcana§ara¡ seus objetivos e, especificamente, atingira¡ seu objetivo principal de produzir um plasma em chamas, em que o self -aquecimento domina o equila­brio de energia.

As limitações impostas pela pandemia COVID-19 retardaram um pouco o progresso, mas não muito, diz ele, e os pesquisadores estãode volta aos laboratórios sob novas diretrizes operacionais.

No geral, "ainda estamos visando o ini­cio da construção por volta de junho de 21", diz Greenwald. "O esfora§o de física estãobem integrado com o projeto de engenharia. O que estamos tentando fazer écolocar o projeto na base física mais firme possí­vel, de modo que tenhamos certeza de como seráseu desempenho e, em seguida, forneceremos orientação e responda a perguntas para o projeto de engenharia conforme ele avana§a. "

Muitos dos pequenos detalhes ainda estãosendo trabalhados no projeto da ma¡quina, cobrindo as melhores maneiras de obter energia e combusta­vel para o dispositivo, obter a energia, lidar com quaisquer transientes tanãrmicos ou de potaªncia repentinos e como e onde medir os parametros-chave para monitorar o funcionamento da ma¡quina.

Atéagora, houve apenas pequenas alterações no design geral. O dia¢metro do reator foi aumentado em cerca de 12 por cento, mas pouco mais mudou, diz Greenwald. "Sempre há questãode um pouco mais disso, um pouco menos daquilo, e hámuitas coisas que pesam nisso, problemas de engenharia, tensaµes meca¢nicas, tensaµes tanãrmicas e também há física - como vocêafeta o desempenho de a ma¡quina?"

A publicação desta edição especial da revista, diz ele, "representa um resumo, um instanta¢neo da base da física como ela se apresenta hoje." Embora os membros da equipe tenham discutido muitos aspectos disso em reuniaµes de física, "esta énossa primeira oportunidade de contar nossa história, fazer uma revisão, obter o selo de aprovação e divulga¡-la na comunidade".

Greenwald diz que ainda hámuito a aprender sobre a física da queima de plasmas e, uma vez que esta ma¡quina esteja funcionando, informações importantes podem ser obtidas que ajudara£o a pavimentar o caminho para dispositivos de fusão comerciais de produção de energia, cujo combusta­vel - o hidrogaªnio isãotopos deutanãrio e tra­tio - podem ser disponibilizados em suprimentos virtualmente ilimitados.

Os detalhes do plasma em chamas "são realmente novos e importantes", diz ele. "A grande montanha que precisamos superar éentender esse estado de autoaquecimento de um plasma."

No geral, Greenwald diz, o trabalho que foi feito na análise apresentada neste pacote de documentos "ajuda a validar nossa confianção de que cumpriremos a missão. Nãoencontramos nada em que dizemos: 'oh, isso éuma previsão de que não chegaremos onde queremos. " Resumindo, diz ele, "uma das conclusaµes éque as coisas ainda estãonos trilhos. Acreditamos que vai funcionar".