Uma equipe internacional de cientistas descobriu um novo método para avançar no desenvolvimento da energia de fusão através do aumento da compreensão das propriedades da matéria densa quente, um estado extremo da matéria semelhante ao encontrado no coração de planetas gigantes como Júpiter.
As descobertas, lideradas por Sophia Malko, do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), detalham uma nova técnica para medir o "poder de parada" de partículas nucleares no plasma usando lasers ultraintensos de alta taxa de repetição. A compreensão do poder de parada do próton é particularmente importante para a fusão por confinamento inercial (ICF).

Alimentando o sol e as estrelas

Esse processo contrasta com a criação da fusão no PPPL, que aquece o plasma a temperaturas de milhões de graus em instalações de confinamento magnético. O plasma, o estado quente e carregado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons, alimenta reações de fusão em ambos os tipos de pesquisa, que visam reproduzir na Terra a fusão que alimenta o sol e as estrelas como fonte de energia segura e limpa. e energia virtualmente ilimitada para gerar a eletricidade do mundo.

"Stopping power" é uma força que atua em partículas carregadas devido a colisões com elétrons na matéria que resultam em perda de energia. "Por exemplo, se você não conhece o poder de parada do próton, não pode calcular a quantidade de energia depositada no plasma e, portanto, projetar lasers com o nível de energia certo para criar ignição por fusão", disse Malko, principal autor de um artigo que descreve as descobertas em Nature Communications . "As descrições teóricas do poder de parada em matéria de alta densidade de energia e particularmente em matéria densa quente são difíceis, e as medições estão em grande parte ausentes", disse ela. “Nosso artigo compara dados experimentais da perda de energia de prótons em matéria densa quente com modelos teóricos de poder de parada”.

A Comunicação da Natureza A pesquisa investigou o poder de parada de prótons em um regime amplamente inexplorado, usando feixes de íons de baixa energia e plasmas quentes e densos produzidos a laser. Para produzir os íons de baixa energia, os pesquisadores usaram um dispositivo especial baseado em ímã que seleciona o sistema de energia fixa de baixa energia a partir de um amplo espectro de prótons gerado pela interação de lasers e plasma. O feixe selecionado passa então através de matéria densa quente acionada por laser e sua perda de energia é medida. A comparação teórica com dados experimentais mostrou que a correspondência mais próxima discordava fortemente dos modelos clássicos.

Em vez disso, o acordo mais próximo veio de simulações de primeiro princípio recentemente desenvolvidas com base em uma abordagem mecânica quântica de muitos corpos ou de interação, disse Malko.

Medições de parada precisas

Medições precisas de parada também podem avançar na compreensão de como os prótons produzem o que é conhecido como ignição rápida, um esquema avançado de fusão por confinamento inercial. “Na ignição rápida acionada por prótons, onde os prótons devem aquecer o combustível comprimido de estados de temperatura muito baixa para alta temperatura, o poder de parada do próton e o estado do material estão fortemente acoplados”, disse Malko.

"O poder de parada depende da densidade e da temperatura do estado do material", explicou ela, e ambos são afetados pela energia depositada pelo feixe de prótons. "Assim, incertezas no poder de parada levam diretamente a incertezas na energia total de prótons e energia do laser necessária para a ignição", disse ela.

Malko e sua equipe estão realizando novos experimentos nas instalações do DOE LaserNetUS na Colorado State University para estender suas medições para a chamada região do pico de Bragg, onde ocorre a perda máxima de energia e onde as previsões teóricas são mais incertas.

Os coautores deste artigo incluíram 27 pesquisadores dos EUA, Espanha, França, Alemanha, Canadá e Itália. + Explorar mais

Descobrindo uma nova maneira de trazer a energia que alimenta o sol e as estrelas para a Terra