Imagine tentar convocar o sol para o seu laboratório de pesquisa.
Sim, você, grande estrela brilhante! Traga seu calor abrasador, o drama da constante fusão nuclear de seu núcleo e seus níveis de energia fora do comum com você. Queremos saber como fazer essa energia de fusão acontecer aqui na Terra – à vontade e com eficiência – para que possamos riscar o "fornecimento de energia" da nossa lista de preocupações para sempre.

Mas, é claro, o sol não pode chegar ao laboratório. Ele vive muito longe – cerca de 140 milhões de quilômetros – e é muito grande (cerca de 1.300.000 quilômetros de diâmetro). Também é muito quente e mais denso do que qualquer coisa na Terra. É por isso que pode sustentar as reações que geram toda a energia que alimenta a vida na Terra.

Isso não desencorajou os cientistas de prosseguir em sua busca pela fusão nuclear, é claro.

Em vez disso, eles encontraram maneiras extraordinárias – usando lasers intensos e combustível de hidrogênio – para produzir condições extremas como as que existem no núcleo do sol, produzindo fusão nuclear em minúsculas cápsulas plásticas de 1 milímetro. Essa abordagem é chamada de "fusão de confinamento inercial".

O desafio é criar um sistema que gere mais energia de fusão do que o necessário para criá-lo.

Isso é excepcionalmente desafiador porque requer experimentos de alta precisão em condições extremas, mas os pesquisadores fizeram grandes avanços na ciência e tecnologia necessárias para produzir fusão controlada em laboratório nas últimas décadas.

Agora, o pesquisador da Universidade de Delaware Arijit Bose e seus colaboradores estão buscando uma variação promissora dessa abordagem. Seu trabalho foi publicado recentemente em Physical Review Letters .

Eles aplicaram poderosos campos magnéticos à implosão acionada por laser, o que pode permitir que eles orientem as reações de fusão de maneiras anteriormente inexploradas em experimentos.

Bose, professor assistente do Departamento de Física e Astronomia da UD, iniciou seu estudo sobre fusão nuclear durante a pós-graduação na Universidade de Rochester.

Depois de visitar o Laboratório de Energia do Laser em Rochester, onde os lasers são usados ​​para implodir cápsulas esféricas e criar plasmas, conhecidos como "fusão de confinamento inercial", ele encontrou um foco para sua própria pesquisa.

"A fusão é o que alimenta tudo na Terra", disse ele. "Ter um sol em miniatura na Terra - um sol do tamanho de um milímetro - é onde a reação de fusão aconteceria. E isso me surpreendeu."

A pesquisa de fusão nuclear a laser existe há décadas, disse Bose.

Tudo começou no Lawrence Livermore National Lab na década de 1970. Livermore agora abriga o maior sistema de laser do mundo, do tamanho de três campos de futebol. A pesquisa de fusão feita lá usa uma abordagem indireta. Os lasers são direcionados para uma pequena lata de ouro de 100 milímetros. Eles atingem a superfície interna da lata e produzem raios X, que então atingem o alvo – uma pequena esfera feita de deutério e trítio congelados – e a aquecem a temperaturas próximas ao núcleo do sol.

"Nada pode sobreviver a isso", disse Bose. "Os elétrons são retirados dos átomos e os íons estão se movendo tão rápido que colidem e se fundem."

O alvo implode em um nanossegundo – um bilionésimo de segundo – primeiro impulsionado pelo laser, depois continuando a comprimir por sua própria inércia. Finalmente, ele se expande devido ao aumento da pressão central causada pela compressão.

"O início de uma reação em cadeia de fusão auto-aquecida é chamado de ignição", disse Bose. "Estamos notavelmente perto de alcançar a ignição."

Pesquisadores de Livermore relataram novos ganhos impressionantes nesse esforço em 8 de agosto.

A instalação de laser OMEGA de Rochester é menor e é usada para testar uma abordagem de acionamento direto. Esse processo não usa lata de ouro. Em vez disso, os lasers atingem a esfera alvo diretamente.

A nova peça é o poderoso campo magnético – neste caso, forças de até 50 Tesla – que é usado para controlar as partículas carregadas. Em comparação, a ressonância magnética (RM) típica usa ímãs de cerca de 3 Tesla. E o campo magnético que protege a Terra do vento solar é muitas ordens de magnitude menor que 50T, disse Bose.

"Você quer que os núcleos se fundam", disse Bose. "Os campos magnéticos prendem as partículas carregadas e as fazem contornar as linhas de campo. Isso ajuda a criar colisões e ajuda a aumentar a fusão. É por isso que adicionar campos magnéticos traz benefícios para a produção de energia de fusão."

A fusão requer condições extremas, mas foi alcançada, disse Bose. O desafio é obter mais saída de energia do que entrada e os campos magnéticos fornecem o impulso que pode tornar essa abordagem transformadora.

Os experimentos publicados em Physical Review Letters foram feitas quando Bose estava fazendo pesquisa de pós-doutorado no Plasma Science and Fusion Center do MIT. Essa colaboração continua.

Bose disse que foi atraído para a Universidade de Delaware, em parte, por causa do foco de física de plasma no Departamento de Física e Astronomia, incluindo William Matthaeus, Michael Shay e Ben Maruca.

“Eles fazem estudos e análises de dados provenientes do programa solar da NASA e de todas as suas missões”, disse ele. "Nós conduzimos experimentos de astrofísica de laboratório onde esses fenômenos são reduzidos no espaço e no tempo para o laboratório. Isso nos dá um meio de desvendar algumas das intrincadas questões de física colocadas pelas missões da NASA."

Os alunos são importantes impulsionadores deste trabalho, disse Bose, e suas carreiras podem ver um grande avanço neste novo campo de estudo.

"É uma parte fascinante da ciência e os alunos são uma parte muito importante do desenvolvimento da força de trabalho para os laboratórios nacionais", disse ele. "Estudantes experientes nesta ciência e tecnologia muitas vezes acabam como cientistas e pesquisadores nos laboratórios nacionais."

Há muito mais trabalho a fazer, disse ele.

"Não teremos uma solução amanhã. Mas o que estamos fazendo é contribuir para uma solução de energia limpa." + Explorar mais

Magnetização de implosões de fusão inercial acionadas por laser