Foi um momento de três anos em formação, com base em pesquisa intensiva e trabalho de design:em 5 de setembro, pela primeira vez, um grande eletroímã supercondutor de alta temperatura foi aumentado para uma intensidade de campo de 20 tesla, o mais poderoso campo magnético desse tipo já criado na Terra. Essa demonstração bem-sucedida ajuda a resolver a maior incerteza na busca pela construção da primeira usina de fusão do mundo que pode produzir mais energia do que consome, de acordo com os líderes do projeto no MIT e na startup Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Esse avanço abre o caminho, eles dizem, para a tão procurada criação de práticas, barato, usinas de energia sem carbono que poderiam dar uma grande contribuição para limitar os efeitos das mudanças climáticas globais.

"A fusão de várias maneiras é a melhor fonte de energia limpa, "diz Maria Zuber, Vice-presidente de pesquisa do MIT e professor de geofísica E. A. Griswold. "A quantidade de energia disponível realmente muda o jogo." O combustível usado para criar a energia de fusão vem da água, e "a Terra está cheia de água - é um recurso quase ilimitado. Só temos que descobrir como utilizá-lo."

O desenvolvimento do novo ímã é visto como o maior obstáculo tecnológico para que isso aconteça; sua operação bem-sucedida agora abre a porta para a demonstração da fusão em um laboratório na Terra, que tem sido perseguido por décadas com progresso limitado. Com a tecnologia de ímã agora demonstrada com sucesso, a colaboração MIT-CFS está no caminho certo para construir o primeiro dispositivo de fusão do mundo que pode criar e confinar um plasma que produz mais energia do que consome. Esse dispositivo de demonstração, chamado SPARC, tem previsão de conclusão em 2025.

"Os desafios de fazer a fusão acontecer são técnicos e científicos, "diz Dennis Whyte, diretor do Plasma Science and Fusion Center do MIT, que está trabalhando com o CFS para desenvolver o SPARC. Mas assim que a tecnologia for comprovada, ele diz, "é inesgotável, fonte de energia livre de carbono que você pode implantar em qualquer lugar e a qualquer hora. É realmente uma fonte de energia fundamentalmente nova. "

Whyte, quem é o professor de engenharia da Hitachi America, diz que a demonstração desta semana representa um marco importante, abordando as maiores questões remanescentes sobre a viabilidade do projeto SPARC. "É realmente um divisor de águas, Eu acredito, em ciência e tecnologia de fusão, " ele diz.

O sol em uma garrafa

A fusão é o processo que alimenta o sol:a fusão de dois pequenos átomos para fazer um maior, liberando quantidades prodigiosas de energia. Mas o processo requer temperaturas muito além do que qualquer material sólido poderia suportar. Para capturar a fonte de energia do sol aqui na Terra, o que é necessário é uma maneira de capturar e conter algo tão quente - 100, 000, 000 graus ou mais - suspendendo-o de uma forma que evite que entre em contato com qualquer coisa sólida.

Isso é feito por meio de campos magnéticos intensos, que formam uma espécie de garrafa invisível para conter a sopa quente rodopiante de prótons e elétrons, chamado de plasma. Como as partículas têm carga elétrica, eles são fortemente controlados pelos campos magnéticos, e a configuração mais amplamente usada para contê-los é um dispositivo em forma de rosca chamado tokamak. A maioria desses dispositivos produziu seus campos magnéticos usando eletroímãs convencionais feitos de cobre, mas a versão mais recente e maior em construção na França, chamado ITER, usa o que é conhecido como supercondutores de baixa temperatura.

A principal inovação no projeto de fusão MIT-CFS é o uso de supercondutores de alta temperatura, que permitem um campo magnético muito mais forte em um espaço menor. Esse projeto foi possibilitado por um novo tipo de material supercondutor que se tornou comercialmente disponível há alguns anos. A ideia surgiu inicialmente como um projeto de aula em uma aula de engenharia nuclear ministrada por Whyte. A ideia parecia tão promissora que continuou a ser desenvolvida nas próximas iterações dessa classe, levando ao conceito de design de usina ARC no início de 2015. SPARC, projetado para ter cerca de metade do tamanho do ARC, é um teste para provar o conceito antes da construção do tamanho real, usina de produção de energia.

Até agora, a única maneira de atingir os campos magnéticos colossalmente poderosos necessários para criar uma "garrafa" magnética capaz de conter plasma aquecido a centenas de milhões de graus era torná-los cada vez maiores. Mas o novo material supercondutor de alta temperatura, feito na forma de um plano, fita tipo fita, torna possível alcançar um campo magnético mais alto em um dispositivo menor, igualando o desempenho que seria alcançado em um aparelho 40 vezes maior em volume usando ímãs supercondutores convencionais de baixa temperatura. Esse salto em potência versus tamanho é o elemento-chave no design revolucionário da ARC.

O uso dos novos ímãs supercondutores de alta temperatura torna possível aplicar décadas de conhecimento experimental adquirido com a operação de experimentos de tokamak, incluindo a própria série Alcator do MIT. A nova abordagem usa um design bem conhecido, mas reduz tudo para cerca de metade do tamanho linear e ainda atinge as mesmas condições operacionais por causa do campo magnético mais alto.

Uma série de artigos científicos publicados no ano passado delineou a base física e, por simulação, confirmou a viabilidade do novo dispositivo de fusão. Os jornais mostraram que, se os ímãs funcionaram conforme o esperado, todo o sistema de fusão deve de fato produzir potência líquida, pela primeira vez em décadas de pesquisa de fusão.

Martin Greenwald, vice-diretor e cientista pesquisador sênior do PSFC, diz ao contrário de alguns outros projetos para experimentos de fusão, "o nicho que estávamos preenchendo era usar a física convencional de plasma, e projetos e engenharia de tokamak convencionais, mas traga para ele essa nova tecnologia de ímã. Então, não estávamos exigindo inovação em meia dúzia de áreas diferentes. Nós apenas inovaríamos no ímã, e, em seguida, aplicar a base de conhecimento do que foi aprendido nas últimas décadas. "

Essa combinação de princípios de design cientificamente estabelecidos e força do campo magnético revolucionário é o que torna possível alcançar uma planta que poderia ser economicamente viável e desenvolvida em um caminho rápido. "É um grande momento, "diz Bob Mumgaard, CEO da CFS. "Agora temos uma plataforma que é cientificamente muito avançada, por causa das décadas de pesquisa nessas máquinas, e também comercialmente muito interessante. O que ele faz é nos permitir construir dispositivos mais rapidamente, menor, e com menos custo, "ele diz sobre o sucesso da demonstração do ímã.

Prova de conceito

Trazer esse novo conceito de ímã para a realidade exigiu três anos de trabalho intensivo no design, estabelecendo cadeias de abastecimento, e desenvolver métodos de fabricação para ímãs que podem eventualmente precisar ser produzidos aos milhares.

"Construímos um primeiro do tipo, ímã supercondutor. Foi necessário muito trabalho para criar processos e equipamentos de fabricação exclusivos. Como resultado, agora estamos bem preparados para acelerar a produção SPARC, "diz Joy Dunn, chefe de operações do CFS. "Começamos com um modelo de física e um design CAD, e trabalhei em muitos desenvolvimentos e protótipos para transformar um projeto no papel neste ímã físico real. "Isso envolveu a construção de recursos de manufatura e instalações de teste, incluindo um processo iterativo com vários fornecedores da fita supercondutora, para ajudá-los a alcançar a capacidade de produzir material que atendesse às especificações necessárias - e para o qual a CFS é agora, com grande maioria, o maior usuário do mundo.

Eles trabalharam com dois designs de ímã possíveis em paralelo, ambos acabaram atendendo aos requisitos de design, ela diz. "Na verdade, decidimos quem revolucionaria a maneira como fazemos ímãs supercondutores, e qual era mais fácil de construir. "O design que adotaram se destacou claramente a esse respeito, ela diz.

Neste teste, o novo ímã foi gradualmente ligado em uma série de etapas até atingir a meta de um campo magnético de 20 tesla - a maior intensidade de campo de todos os tempos para um ímã de fusão supercondutor de alta temperatura. O ímã é composto por 16 placas empilhadas, cada um dos quais, por si só, seria o ímã supercondutor de alta temperatura mais poderoso do mundo.

"Há três anos, anunciamos um plano, "diz Mumgaard, "para construir um ímã de 20 tesla, que é o que precisaremos para futuras máquinas de fusão. "Esse objetivo agora foi alcançado, na hora certa, mesmo com a pandemia, ele diz.

Citando a série de artigos de física publicados no ano passado, Brandon Sorbom, o diretor de ciências da CFS, diz "basicamente os jornais concluem que, se construirmos o ímã, toda a física funcionará em SPARC. Então, esta demonstração responde à pergunta:eles podem construir o ímã? É um momento muito emocionante! É um grande marco. "

A próxima etapa será construir SPARC, uma versão em menor escala da planejada usina ARC. A operação bem-sucedida de SPARC demonstrará que uma usina de fusão comercial em grande escala é prática, limpar o caminho para um projeto e construção rápidos desse dispositivo pioneiro pode então prosseguir a toda velocidade.

Zuber diz que "agora estou genuinamente otimista de que SPARC pode alcançar energia positiva líquida, com base no desempenho demonstrado dos ímãs. A próxima etapa é aumentar a escala, para construir uma usina de energia real. Ainda existem muitos desafios pela frente, não menos importante é o desenvolvimento de um design que permita confiabilidade, operação sustentada. E percebendo que o objetivo aqui é a comercialização, outro grande desafio será econômico. Como você projeta essas usinas de energia para que seja econômico construí-las e implantá-las? "

Algum dia em um futuro esperado, quando pode haver milhares de usinas de fusão alimentando redes elétricas limpas em todo o mundo, Zuber diz, "Acho que vamos olhar para trás e pensar sobre como chegamos lá, e acho que a demonstração da tecnologia magnética, para mim, é a hora em que eu acreditei que, Uau, podemos realmente fazer isso. "

A criação bem-sucedida de um dispositivo de fusão para produção de energia seria uma grande conquista científica, Notas de Zuber. Mas esse não é o ponto principal. "Nenhum de nós está tentando ganhar troféus neste momento. Estamos tentando manter o planeta habitável."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.