A física nuclear geralmente envolve altas energias, como ilustrado por experimentos para dominar a fusão nuclear controlada. Um dos problemas é como superar a forte repulsão elétrica entre os núcleos atômicos, que requer altas energias para fundi-los. Mas a fusão pode ser iniciada em energias mais baixas com campos eletromagnéticos que são gerados, por exemplo, por lasers de elétrons livres de última geração que emitem luz de raios-X. Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) descrevem como isso poderia ser feito na revista Revisão Física C .

Durante a fusão nuclear, dois núcleos atômicos se fundem em um novo núcleo. No laboratório, isso pode ser feito por aceleradores de partículas, quando os pesquisadores usam reações de fusão para criar nêutrons livres rápidos para outros experimentos. Em uma escala muito maior, a ideia é implementar a fusão controlada de núcleos de luz para gerar energia - com o sol atuando como modelo:sua energia é o produto de uma série de reações de fusão que ocorrem em seu interior.

Por muitos anos, os cientistas têm trabalhado em estratégias para gerar energia a partir da energia de fusão. "Por um lado, estamos diante de uma fonte de energia praticamente ilimitada. Por outro lado, existem muitos obstáculos tecnológicos que queremos ajudar a superar por meio de nosso trabalho, "diz o professor Ralf Schützhold, Diretor do Departamento de Física Teórica da HZDR, descrevendo a motivação para sua pesquisa.

Túneis em alto nível, estar acessível em breve

A fim de desencadear a fusão nuclear, primeiro você tem que superar a forte repulsão elétrica entre os núcleos atômicos com carga idêntica. Isso geralmente requer altas energias. Mas existe uma maneira diferente, explica o co-autor do estudo, Dr. Friedemann Queißer:"Se não houver energia suficiente disponível, a fusão pode ser alcançada por tunelamento. Esse é um processo de mecânica quântica. Isso significa que você pode passar (ou seja, túnel) através da barreira de energia causada pela repulsão nuclear em energias mais baixas. "

Esta não é uma construção teórica; realmente acontece:as condições de temperatura e pressão no centro do Sol não são suficientes para superar a barreira de energia diretamente e permitir que os núcleos de hidrogênio se fundam. Mas a fusão acontece, no entanto, porque as condições existentes permitem que a reação de fusão seja sustentada graças a um número suficientemente elevado de processos de tunelamento.

Em seu trabalho atual, os cientistas do HZDR estão investigando se a fusão controlada poderia ser facilitada com a ajuda de processos de tunelamento usando radiação. Mas isso também é uma questão de energia:quanto mais baixo, menor a probabilidade de tunelamento. Até agora, a intensidade da radiação laser convencional era muito baixa para desencadear os processos.

XFEL e feixes de elétrons para auxiliar as reações de fusão

Tudo isso pode mudar em um futuro próximo:com os lasers de elétrons livres de raios-X (XFEL), já é possível atingir densidades de potência de 10 ^ 20 watts por centímetro quadrado. Isso é o equivalente a aproximadamente mil vezes a energia do sol batendo na terra, concentrado na superfície de uma moeda de um centavo. “Agora estamos avançando em áreas que sugerem a possibilidade de auxiliar esses processos de tunelamento com fortes lasers de raios-X, "diz Schützhold.

A ideia é que o campo elétrico forte que causa a repulsão dos núcleos se sobreponha a um campo elétrico mais fraco, mas mudando rapidamente, campo eletromagnético que pode ser produzido com o auxílio de um XFEL. Os pesquisadores de Dresden investigaram teoricamente o processo de fusão dos isótopos de hidrogênio deutério e trítio. Esta reação é atualmente considerada uma das candidatas mais promissoras para futuras usinas de fusão. Os resultados mostram que deveria ser possível aumentar a taxa de tunelamento dessa forma; um número suficientemente alto de processos de tunelamento poderia eventualmente facilitar o sucesso, reação de fusão controlada.

Hoje, apenas um punhado de sistemas de laser em todo o mundo com o potencial necessário são os carros-chefe das instalações de pesquisa em grande escala, como aqueles no Japão e nos Estados Unidos - e na Alemanha, onde o laser mais potente do mundo em seu tipo, o XFEL europeu, pode ser encontrado na área de Hamburgo. No Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) localizado lá, estão planejados experimentos com flashes de raios X ultracurtos e extremamente brilhantes exclusivos. HZDR está atualmente no processo de construção do HIBEF.

O próximo passo dos fortes físicos de campo de Dresden é mergulhar ainda mais fundo na teoria para entender melhor outras reações de fusão e poder avaliar seu potencial para auxiliar os processos de tunelamento com radiação. Processos análogos já foram observados em sistemas de laboratório, como pontos quânticos na física do estado sólido ou condensados ​​de Bose-Einstein, mas na fusão nuclear a prova experimental ainda está pendente. Pensando ainda mais à frente, os autores do estudo acreditam que outras fontes de radiação podem auxiliar os processos de tunelamento. Os primeiros resultados teóricos sobre feixes de elétrons já foram obtidos.