Desbloqueando a dança zig-zagging do quente, partículas de plasma carregadas que alimentam as reações de fusão podem ajudar a aproveitar na Terra a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas. No Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), um experimentalista e dois teóricos desenvolveram um novo algoritmo, ou conjunto de regras de computador, para rastrear partículas voláteis que podem antecipar a chegada do seguro, fonte de energia limpa e virtualmente ilimitada.

Fechar interação

"Esta é uma história de sucesso sobre a estreita interação entre teóricos e experimentalistas que mostra o que pode ser feito, "disse Hong Qin, um físico teórico principal do PPPL. Ele e Yichen Fu, um aluno de pós-graduação teórico a quem ele aconselha, colaborou no algoritmo com Laura Xin Zhang, um estudante de graduação experimental e autor principal de um artigo que relata a pesquisa na revista Revisão Física E . Qin e Fu são co-autores do artigo.

A fusão alimenta o sol e as estrelas combinando elementos leves na forma de plasma - o estado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, isso constitui 99 por cento do universo visível - para liberar grandes quantidades de energia. Cientistas de todo o mundo estão buscando produzir fusão controlada na Terra como uma fonte ideal para a geração de eletricidade.

O novo algoritmo PPPL ajuda a rastrear partículas carregadas rapidamente no plasma. As partículas poderiam, por exemplo, derivam da injeção de feixes neutros de alta energia que são quebrados, ou "ionizados" no plasma e colidem com as partículas principais do plasma. "Nos preocupamos com isso porque queremos entender como essas partículas rápidas influenciam o plasma, "Disse Zhang.

Os feixes neutros desempenham muitos papéis quando divididos em partículas de plasma rápidas. "Nós os usamos para fazer todos os tipos de coisas, "Zhang disse." Eles podem aquecer e conduzir a corrente no plasma. Às vezes, eles criam instabilidades de plasma e às vezes as reduzem. Nossas simulações fazem parte do entendimento de como essas partículas se comportam. "

Primeiro um problema

Quando Zhang tentou simular as partículas rápidas pela primeira vez, encontrou um problema. Ela usou um algoritmo clássico que falhou em conservar energia durante o que é chamado de processo de espalhamento do ângulo de inclinação da colisão de partículas. Esse espalhamento é frequentemente observado no plasma de fusão quando os elétrons colidem com íons que são aproximadamente 2, 000 vezes mais pesado em colisões semelhantes a bolas de pingue-pongue quicando em bolas de basquete.

Para Zhang, o problema "era semelhante a tentar simular a órbita de um planeta, "ela lembrou. Assim como a energia de uma órbita não muda, "você quer um algoritmo que conserva a energia das partículas de plasma espalhadas, " ela disse.

Conservar essa energia é fundamental, disse Qin, a quem Zhang consultou. “Se um algoritmo que simula o processo não conserva a energia das partículas, a simulação não pode ser confiável, "disse ele. Assim, ele concebeu um método alternativo, um algoritmo explicitamente solucionável que conserva a energia das partículas, que Zhang passou a tentar.

"Sou um experimentalista de coração e minha abordagem para os problemas é tentar, "ela disse." Então eu fiz várias simulações e todos os tipos de experimentos numéricos que mostraram que o algoritmo funcionava melhor do que o algoritmo clássico que falhou em conservar energia. " o método alternativo não poderia ser provado teoricamente.

Em seguida, Qin entregou o problema ao estudante de graduação Fu, que reuniu uma prova matemática inteligente da correção do algoritmo que poderia se tornar um passo para novas soluções.

"O algoritmo que desenvolvemos é para um modelo simplificado, "Zhang disse." Abandona vários termos que serão importantes para incluir. Mas estou avançando com o objetivo de aplicar o algoritmo que desenvolvemos a novos problemas de física de plasma. "