Dependência temporal da mudança no espalhamento total de elétrons de W. (A a D) Instantâneos dos padrões de diferença de espalhamento obtidos experimentalmente em vários atrasos após a excitação do laser. (E a H) Padrões de simulação obtidos da modelagem MD utilizando o modelo EPH que apresenta a melhor concordância com os dados experimentais. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk9051 Na busca por energia limpa e infinita, a fusão nuclear é uma fronteira promissora. Mas em reatores de fusão, onde os cientistas tentam produzir energia fundindo átomos, imitando o processo de geração de energia do Sol, as coisas podem ficar extremamente quentes. Para superar isso, os pesquisadores têm se aprofundado na ciência do gerenciamento de calor, concentrando-se em um metal especial chamado tungstênio.
Uma nova pesquisa, liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, destaca o potencial do tungstênio para melhorar significativamente a tecnologia de reatores de fusão com base em novas descobertas sobre sua capacidade de conduzir calor. Este avanço poderia acelerar o desenvolvimento de materiais para reatores de fusão mais eficientes e resilientes. Seus resultados foram publicados hoje na revista Science Advances .
“O que nos entusiasma é o potencial das nossas descobertas para influenciar o design de materiais artificiais para fusão e outras aplicações energéticas”, disse o colaborador Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Alta Densidade de Energia do SLAC. "Nosso trabalho demonstra a capacidade de sondar materiais em escala atômica, fornecendo dados valiosos para futuras pesquisas e desenvolvimento."
Manter a calma sob pressão
O tungstênio não é um metal qualquer. É forte, pode suportar temperaturas incrivelmente altas e não fica deformado ou enfraquecido por ondas de calor tanto quanto outros metais. Isso o torna particularmente eficaz na condução rápida e eficiente do calor, que é exatamente o que é necessário nas condições superaquecidas de um reator de fusão. A rápida carga térmica de tungstênio e suas ligas também é encontrada em muitas aplicações aeroespaciais, como bicos de motores de foguetes, escudos térmicos e revestimentos de pás de turbinas.
Compreender como o tungstênio funciona com o calor oferece pistas sobre como fazer novos materiais para reatores de fusão que são ainda melhores para manter o frio sob pressão. Nesta nova pesquisa, os cientistas desenvolveram uma nova maneira de examinar de perto como o tungstênio gerencia o calor no nível atômico.
A equipe de pesquisa decidiu explorar o fenômeno da dispersão de fônons – um processo em que as vibrações da rede dentro de um material sólido interagem, desempenhando um papel crítico na capacidade do material de conduzir calor. Tradicionalmente, a contribuição dos fônons para o transporte térmico nos metais era subestimada, com maior ênfase no papel dos elétrons. Através de uma combinação de modelagem e técnicas experimentais de última geração, a equipe de pesquisa lançou luz sobre o comportamento dos fônons no tungstênio.
Desvendando contribuições
Na "câmera de elétrons" de alta velocidade MeV-UED do SLAC, os pesquisadores sondaram o material com uma técnica chamada espalhamento difuso de elétrons ultrarrápido (UEDS), que permitiu à equipe observar e medir as interações entre elétrons e fônons com uma precisão sem precedentes. Este método envolve disparar um laser para excitar os elétrons do tungstênio e depois observar como esses elétrons excitados interagem com os fônons. A técnica UEDS captura o espalhamento de elétrons pelos fônons, permitindo aos pesquisadores observar essas interações em tempo real com incrível precisão.
O UEDS permitiu aos pesquisadores distinguir entre as contribuições do espalhamento elétron-fônon e fônon-fônon para o transporte térmico. Esta diferenciação é fundamental para a compreensão do complexo funcionamento do gerenciamento de calor em materiais submetidos às duras condições de um reator de fusão.
“O desafio reside em distinguir as contribuições dos fônons dos elétrons no transporte térmico”, disse o cientista do SLAC Mianzhen Mo, que liderou a pesquisa. "Nosso artigo apresenta uma técnica de última geração que resolve essas contribuições, revelando como a energia é distribuída dentro do material. Essa técnica nos permitiu medir com precisão as interações entre elétrons e fônons no tungstênio, fornecendo-nos insights que foram anteriormente fora do alcance."
Os resultados do estudo mostraram que, no tungstênio, a interação entre os próprios fônons é muito mais fraca do que o esperado. Esta fraca interação fônon-fônon significa que o tungstênio pode conduzir o calor de forma mais eficiente do que se pensava anteriormente.
“Nossas descobertas são particularmente relevantes para o projeto de materiais novos e mais robustos para reatores de fusão”, disse o colaborador Alfredo Correa, cientista do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL). "Essas experiências precisas fornecem uma excelente validação para a nova técnica de simulação que empregamos neste trabalho para descrever o transporte de calor e os movimentos microscópicos de átomos e elétrons, permitindo-nos prever como os materiais se comportarão em ambientes extremos."
Se você não aguenta o calor…
Dando continuidade a esta pesquisa, a equipe planeja investigar o impacto de impurezas, como o hélio, na capacidade do tungstênio de lidar com o calor. O acúmulo de hélio, um produto da transmutação induzida por nêutrons de fusão em materiais, pode afetar o desempenho e a longevidade do material.
"A próxima fase da nossa pesquisa irá explorar como o hélio e outras impurezas afetam a capacidade do tungstênio de conduzir calor", disse Mo. "Isso é crucial para melhorar a vida útil e a eficiência dos materiais dos reatores de fusão."
Compreender essas interações é fundamental para validar a modelagem fundamental e desenvolver materiais que possam suportar as rigorosas demandas de um reator de fusão ao longo do tempo. Isto poderia levar a materiais ainda melhores, não apenas para reactores de fusão, mas também para outros campos onde a gestão do calor é crítica, desde a indústria aeroespacial até à indústria automóvel e electrónica.
"Esta pesquisa não se trata apenas de melhorar materiais para reatores de fusão; trata-se de aproveitar nossa compreensão da dinâmica dos fônons para revolucionar a forma como gerenciamos o calor em uma ampla gama de aplicações", disse Glenzer. "Não estamos apenas a melhorar a nossa compreensão de como os materiais se comportam sob condições extremas; estamos a lançar as bases para um futuro onde a energia de fusão limpa e sustentável poderá ser uma realidade."
