As técnicas que Theodore Biewer e seus colegas estão usando para medir se o plasma tem as condições certas para criar a fusão já existem há algum tempo.

Os lasers especializados e os componentes de prateleira com os quais eles estão trabalhando não são novidade, qualquer.

Mas montá-los em um sistema de diagnóstico portátil que pode ser carregado em uma van de carga e conduzido em uma viagem através do país de protótipos de reatores de fusão experimental?

Biewer acredita que sua equipe será a primeira a fazer isso com sucesso - neste verão.

Medindo parâmetros de plasma

Por cerca de um ano, Biewer, um pesquisador da Divisão de Energia de Fusão do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, está pensando em uma maneira de construir um sistema portátil, usando apenas componentes disponíveis comercialmente, que pode medir com precisão a temperatura do elétron, temperatura do íon, e densidade de elétrons em protótipos de fusão financiados pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do DOE (ARPA-E).

ARPA-E está financiando nove projetos em seu programa ALPHA 2015, que, se bem sucedido, poderia servir como base tecnológica para novos projetos de reatores. Mas a agência precisava de uma maneira de dizer se o plasma nos protótipos é quente o suficiente, denso o suficiente, e contido bem o suficiente no campo magnético para produzir a fusão. Em janeiro de 2019, a agência solicitou propostas adicionais para construir sistemas de diagnóstico portáteis para medir os principais parâmetros dessas novas máquinas. A proposta da equipe de Biewer foi selecionada no verão passado e recebeu um pouco mais de US $ 1 milhão em financiamento em novembro de 2019.

Naquela época, Biewer, quem é o investigador principal, já havia pesquisado os componentes disponíveis comercialmente para espectroscopia de emissão óptica, uma técnica que usa luz para medir quais tipos de íons estão presentes em quais concentrações e em quais temperaturas, e espalhamento Thomson, que usa lasers para medir a densidade e a temperatura do elétron, espalhando a luz do laser pelos elétrons do plasma.

Seis meses para os resultados

Biewer disse que o espalhamento Thomson é o padrão ouro para medir esses parâmetros, em parte porque produz dados úteis sem a necessidade de muita interpretação. O espalhamento Thomson é geralmente realizado com lasers de última geração que foram adaptados e integrados em sistemas permanentes alojados em edifícios climatizados dedicados adjacentes aos reatores de plasma.

"São sistemas muito complicados que realmente fazem bem o trabalho, "Biewer disse." Mas a ARPA-E queria ser capaz de mover o sistema de máquina para máquina. Então, propusemos o uso de alguns lasers que não são tão poderosos quanto os usados ​​nesses sistemas permanentes, mas que ainda têm energia suficiente para fazer o trabalho. "

Drew Elliott, membro da equipe de P&D, pesquisador de pós-doutorado Nischal Kafle, e o estudante de pós-graduação da Universidade do Tennessee, Zichen "Horus". Ele tem construído o sistema em um carrinho rolante, assistido pelo especialista em instrumentação Wayne Garren e consultor de He, Professor da UT Zhili Zhang.

A recuperação é rápida. Em março, Biewer espera que eles tenham testado o sistema em uma fonte de plasma no Centro de Tecnologia de Engenharia do ORNL. Por maio, ele espera ter dados para apresentar na 23ª Conferência Tópica sobre Diagnóstico de Plasma de Alta Temperatura no Novo México.

E em junho, ele espera que o sistema esteja a caminho do Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) em New Jersey, embalado em uma van de carga da piscina de motor do ORNL, conduzido por sua equipe.

'Tenha laser, viajará'

Após 4-6 meses testando o sistema em um dispositivo de fusão no PPPL, a equipe irá levá-lo para outro dispositivo de fusão na Universidade de Washington em Seattle e testá-lo pelo mesmo período de tempo. Uma viagem para medir um terceiro dispositivo é possível - "Tenha laser, viajará, "Biewer disse.

A história do ORNL como líder em energia de fusão tornou-o um local privilegiado para um projeto desse tipo - mesmo em meio ao ceticismo de que um dispositivo portátil pudesse produzir medições precisas o suficiente para serem úteis.

"Temos experiência em sistemas construídos aqui, "Biewer disse." Nós sabemos o que é preciso, e estamos em um momento conveniente no desenvolvimento de tecnologia para reunir tudo isso em um pacote que possamos acompanhar a esses diferentes dispositivos de fusão para medir se eles podem fazer o que dizemos que podem.

"Temos know-how suficiente que, mesmo se encontrarmos algumas armadilhas, nós sabemos como sair. Você não pode saber tudo com antecedência, mas você pode se ajustar aos eventos instantaneamente. "

Biewer, então líder de grupo, Jeff Harris, apelidou o sistema de "espalhamento Thomson mala, "mas todos os sistemas que a ARPA-E está financiando para este projeto são portáteis, Biewer disse. O que torna o design de sua equipe único é o uso de componentes prontos para uso em vez de peças personalizadas ou amplamente adaptadas.

Se funcionar como esperado, o design, em última análise, pode levar a um sistema produzido em massa, ou o ARPA-E pode continuar a financiar a pesquisa da equipe para melhorar o conceito.

"O próximo design pode ser ainda melhor:mais compacto, mais preciso, "Biewer disse.