Todo mundo sabe que o jogo de bilhar envolve bolas caindo das laterais de uma mesa de sinuca - mas poucas pessoas podem saber que o mesmo princípio se aplica às reações de fusão. Como as partículas carregadas, como elétrons e núcleos atômicos que compõem o plasma, interagem com as paredes de dispositivos em forma de donut, conhecidos como tokamaks, ajuda a determinar a eficiência das reações de fusão. Especificamente, em um fenômeno conhecido como emissão secundária de elétrons (SEE), elétrons atingem a superfície da parede, fazendo com que outros elétrons sejam emitidos. Esses elétrons secundários esfriam a borda do plasma e amortecem o desempenho geral do plasma.

Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) vêm estudando SEE há décadas, e no ano passado fizeram avanços importantes que aumentaram seu entendimento. Mais recentemente, dois dos físicos - Marlene Patino, um estudante de pós-graduação na Universidade da Califórnia, Los Angeles, e Angela Capece, um professor do College of New Jersey - concentrou seus esforços na pesquisa de como o SEE é afetado por diferentes materiais e estruturas de parede.

Compreender o SEE é crucial porque o comportamento dos elétrons secundários pode afetar o desempenho das futuras máquinas de fusão. "Quando as perdas de calor se tornam grandes, a máquina de fusão é menos capaz de produzir energia, "Disse Capece.

Em sua pesquisa SEE, Capece estudou como os elétrons interagiam com o lítio, um material de parede que pode melhorar a capacidade dos tokamaks de confinar o plasma. Outros cientistas interessados ​​no lítio criaram modelos de computador que simulam como o lítio interage com os elétrons do plasma, mas esses modelos não levaram em consideração a facilidade com que o lítio se liga a outros oligoelementos no plasma, como oxigênio, para formar novas moléculas como o óxido de lítio. Essas novas moléculas interagem com os elétrons de maneira diferente do que o lítio puro faria.

Especificamente, quando os elétrons atingem o óxido de lítio em uma parede tokamak, muito mais elétrons secundários são liberados no plasma do que para materiais de parede que não sejam de lítio, como tungstênio e carbono. Se um tokamak tem um forro feito de grafite, um elétron que o atinge com uma determinada quantidade de energia pode produzir um elétron secundário. Por outro lado, se um elétron com a mesma energia atingir um revestimento feito de óxido de lítio, de um a três elétrons secundários podem resultar.

Essa discrepância é crucial. "Ao incorporar SEE em modelos de dispositivos de fusão, é importante levar em consideração a reatividade do lítio e que ele formará óxido de lítio em um ambiente tokamak, "Disse Capece.

A Capece acabou descobrindo que, em geral, torna-se mais fácil para um elétron liberar um elétron secundário quando o conteúdo de oxigênio nos revestimentos de lítio aumenta. Sua pesquisa quantificou exatamente como a quantidade de oxigênio ligado ao lítio na parede altera a quantidade de elétrons secundários que podem entrar no plasma. Embora um aumento no rendimento SEE possa aumentar a perda de calor, muitas variáveis ​​na borda do plasma podem modificar o impacto.

Patino estudou SEE de uma perspectiva diferente. Ela pesquisou estruturas minúsculas, conhecido como "fuzz, "que se forma em revestimentos de tungstênio quando eles são bombardeados por núcleos de hélio. Ela observou que, em comparação com o tungstênio liso, tungstênio com fuzz pode reduzir SEE em 40 a 60 por cento. Essas descobertas foram significativas porque os estudos de pesquisadores anteriores envolveram microestruturas manufaturadas, enquanto neste estudo a penugem de tungstênio cresceu sozinha. Além disso, ao contrário de estruturas manufaturadas, a redução de SEE não depende do ângulo em que os elétrons se aproximam da parede, ambos porque os elétrons secundários são capturados pela penugem e as fibras da penugem são distribuídas aleatoriamente. "Essa falta de dependência do ângulo incidente é importante para paredes em máquinas de plasma, uma vez que os elétrons impactarão as paredes em grandes ângulos oblíquos, "Patino disse.

Seu trabalho foi publicado na edição de novembro de 2016 da Cartas de Física Aplicada . O Capece's foi publicado na edição de julho de 2016 da mesma revista. Sua pesquisa foi financiada pelo Escritório de Ciência do DOE (Ciências da Energia de Fusão). O trabalho de Patino também recebeu financiamento do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR).

A SEE atraiu primeiro a atenção dos cientistas do PPPL por meio de experimentação e pesquisa teórica em propulsores de plasma, dispositivos que poderiam um dia propelir espaçonaves a objetos cósmicos distantes. "Os pesquisadores do PPPL tiveram a ideia de usar materiais com arquitetura de superfície, como veludo de carbono, para suprimir o SEE e, assim, melhorar o desempenho e a longevidade dos propulsores de plasma, "disse Yevgeny Raitses, um físico pesquisador principal do PPPL e investigador principal dos projetos da Patino e da Capece.