O atrito no plasma fica estranho na presença de campos magnéticos muito fortes, uma equipe de pesquisadores de plasma da Universidade de Michigan demonstrou. As descobertas podem afetar as estratégias de energia de fusão e o desenvolvimento de fontes de radiação.

O jornal Física dos Plasmas selecionou recentemente a descoberta, relatado em um artigo intitulado, "Um modelo cinético de fricção em plasmas fortemente magnetizados fortemente acoplados, "como escolha do editor. Scott Baalrud, professor associado de engenharia nuclear e ciências radiológicas da U-M e autor sênior do estudo, explicou porque o resultado é importante.

Por que estudar como os campos magnéticos fortes afetam os plasmas?

Um dos aspectos mais interessantes da ciência é explorar o desconhecido. A história da ciência dá muitos exemplos que mostram como explorar novos regimes - pequenas escalas espaciais, escalas de alta energia, temperatura muito baixa, temperatura muito alta, e assim por diante - amplia nossa compreensão da natureza e também leva a novas aplicações tecnológicas que são possibilitadas pela compreensão desses novos regimes.

Plasmas são coleções de partículas carregadas nas quais alguns elétrons são separados do núcleo de seus átomos. Muitas das aplicações úteis de plasmas, como energia de fusão e propulsão baseada em plasma, utilizar a capacidade de controlar as propriedades do plasma através da aplicação de campos magnéticos. Isso é possível porque as partículas carregadas fazem trajetórias espirais na presença de um campo magnético. Eles desenham padrões helicoidais no espaço, como a forma de uma fita de DNA.

Essas tecnologias usam plasma fortemente magnetizado?

Os plasmas são quase sempre fracamente magnetizados, no sentido de que os raios das espirais desenhadas pelas partículas são muito maiores do que a escala na qual as partículas interagem. Como consequência, essencialmente, toda a teoria do plasma é baseada na suposição de que o plasma é fracamente magnetizado. Contudo, é bem possível criar plasmas fortemente magnetizados. Este é um regime empolgante para explorar porque não sabemos o que esperar. Tudo o que realmente sabemos é que nossas teorias atuais não se aplicam lá - e que o plasma deve se comportar de maneiras fundamentalmente diferentes.

Como você explorou plasmas em campos magnéticos fortes?

Usando uma combinação de simulações de matemática e de supercomputador em papel e lápis, Louis Jose, um assistente de pesquisa de pós-graduação em engenharia nuclear e ciências radiológicas, e desenvolvi uma nova teoria para descrever plasmas fortemente magnetizados. Então, nós o aplicamos para explorar uma propriedade fundamental de qualquer substância:o atrito. Especificamente, calculamos a força em uma partícula à medida que ela desacelera em um plasma fortemente magnetizado. Nosso entendimento típico, com base em plasmas fracamente magnetizados, é que o atrito age para se opor à velocidade da partícula - com a consequência de que o raio da espiral que a partícula faz fica menor à medida que o atrito diminui sua velocidade.

A nova descoberta é que o atrito também atua em direções perpendiculares à direção da partícula quando o plasma de fundo está fortemente magnetizado. Um desses componentes muda o raio do movimento espiral, incluindo uma propriedade não intuitiva de que o atrito pode fazer com que a espiral se torne maior ao longo do tempo sob certas condições. Outro componente influencia a frequência com que ocorre o movimento espiral. Ambos os efeitos surgem apenas em forte magnetização e são mudanças fundamentais para o comportamento de um plasma.

Por que é importante ter esse novo modelo?

Embora nossas simulações nos últimos anos tenham mostrado algumas dessas propriedades básicas, as simulações podem fornecer pouca compreensão do porquê, ou mesmo como, esses efeitos surgem. O novo modelo teórico permite compreender a física responsável pelos comportamentos observados nas simulações. Além disso, as simulações consomem uma grande quantidade de recursos computacionais. Só podemos simular um número limitado de propriedades, em uma gama limitada de condições.

As simulações são importantes porque fornecem dados básicos para testar a teoria. Mas a teoria nos permite modelar o comportamento dos plasmas em condições experimentais, e também nos permite calcular propriedades de plasmas fortemente magnetizados que as simulações não podem fornecer.

Como suas descobertas podem ser usadas no mundo real?

É principalmente uma pesquisa exploratória. Porque a forte magnetização muda a forma como as partículas, aquecer, e o momento é transferido através de um plasma, pode ser utilizado para melhorar os conceitos de energia de fusão, fontes de radiação, ou mais provavelmente, invente algo que ainda não pensamos.