Os pássaros fazem isso, assim como as instalações de fusão em formato de rosquinha chamadas de "tokamaks". Mas o chilrear do tokamak - uma onda de frequência que muda rapidamente e que pode estar muito acima do que o ouvido humano pode detectar - dificilmente é bem-vindo aos pesquisadores que buscam trazer a fusão que alimenta o sol e as estrelas para a Terra. Esse chilrear sinaliza uma perda de calor que pode retardar as reações de fusão, uma perda que há muito intriga os cientistas.

Para complicar ainda mais, alguns tokamaks gorjeiam com mais frequência do que outros. Por exemplo, chirps têm ocorrido comumente no National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) no Laboratório de Plasma Princeton do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (PPPL), mas foram raros no tokamak DIII-D National Fusion Facility que a General Atomics opera para o DOE em San Diego. Entender por que alguns tokamaks chilreiam e outros não é importante para que os pesquisadores possam prever e, eventualmente, aprender a evitar tal chilrear no tokamak ITER, o reator de fusão internacional que está sendo construído no sul da França para demonstrar a praticidade da energia de fusão.

Em um reator de fusão como o ITER, reações de fusão produzem "íons rápidos" - núcleos atômicos altamente energéticos dos quais os cientistas confiam para manter as altas temperaturas do plasma necessárias para mantê-lo quente. Esses íons são como um vento rápido que, sob certas condições, pode excitar ondas chamadas "ondas de Alfvén" no plasma quente - muito parecidas com as notas musicais produzidas pelo sopro de um instrumento de sopro. Se o vento de íon rápido for forte o suficiente, as ondas de Alfvén começarão a chilrear, o que causará perda de energia, reduzindo a temperatura do plasma e a saída de energia de fusão.

Condições que levam ao chilrear

Cientistas liderados por pesquisadores do PPPL agora modelaram as condições plasmáticas que dão origem ao chilrear e prevêem quando ele ocorrerá. O modelo do computador, testado com sucesso no tokamak DIII-D, descreve o impacto da turbulência - a flutuação aleatória do plasma que pode levar à perda de calor e partículas - sobre os íons rápidos. O modelo mostra que a turbulência no plasma ajuda a quebrar ou dispersar o vento íon rápido. Se a dispersão for forte o suficiente, os íons rápidos não terão mais força para causar o chilrear da onda de Alfvén e a perda de calor do plasma pode ser reduzida.

Até recentemente, Encontrar evidências diretas para o papel da turbulência em afetar a força do vento de íon rápido e seu papel no chilrear tem sido um desafio. Experimentos recentes de DIII-D revelaram agora a conexão íntima entre os níveis de turbulência e o chilrear do plasma.

Nestes experimentos, o vento de íons rápido produziu uma única nota Alfvén no plasma, muito parecido com uma única nota em um instrumento de sopro. Então, quando o plasma transita espontaneamente para um novo estado melhorado de confinamento com baixos níveis de turbulência, a nota de Alfvén começa a vibrar rapidamente.

Este início de chilrear está claramente ligado à redução da turbulência, uma vez que a turbulência mais baixa não pode mais espalhar o vento íon rápido, permitindo que se acumule o suficiente para impulsionar as ondas de Alfvén com mais força e fazer com que comecem a chilrear. "O movimento coerente de grupos de íons rápidos quando a turbulência diminui dá origem ao chilrear e ao vazamento e ao calor associados ao chilrear, "disse Vinícius Duarte, um físico pesquisador associado do PPPL e ex-cientista visitante da Universidade de São Paulo, Brasil, quem é o autor principal de um artigo que descreve as descobertas em Física dos Plasmas e apresentado como um "Scilight" - um destaque científico - pelo American Institute of Physics.

Por que alguns plasmas chilreiam

A teoria desenvolvida por Duarte também indica por que alguns plasmas chilream e outros não. A explicação é que a turbulência é muito menos eficaz em espalhar o vento de íon rápido em alguns dispositivos em comparação com outros. A próxima etapa será usar esse conhecimento para projetar métodos para evitar o chilrear nos experimentos atuais, e usar esses métodos no projeto de futuros reatores de fusão, como o ITER.