Assim como existem ondas no oceano, as ondas também podem ocorrer em um gás eletricamente carregado chamado plasma, composto de elétrons e íons. No oceano, as pessoas surfam em suas pranchas quase na mesma velocidade das ondas. Essa condição de correspondência, chamada ressonância, permite que a onda empurre o surfista de maneira eficiente, trocando energia.



Nos plasmas, os surfistas podem ser íons muito rápidos, o que pode ocorrer em dispositivos de fusão como resultado de reações de fusão ou outros processos utilizados para aquecer o plasma. Esses íons rápidos costumam fazer o oposto dos surfistas no oceano:eles fornecem energia às ondas, fazendo com que aumentem de tamanho. Enquanto as partículas ressonantes trocam energia com as ondas, elas também são empurradas por outras partículas no plasma através de colisões aleatórias.

O tipo dessas colisões e a frequência com que ocorrem determinam o tamanho das ondas e o quanto as partículas se movimentarão. Se as ondas ficarem muito grandes ou numerosas, elas podem expulsar as partículas do surf do dispositivo, representando um risco potencial para as paredes e também reduzindo a quantidade de energia de fusão produzida.

O plasma nos reatores de fusão deve ser constantemente aquecido para manter as temperaturas necessárias à produção de energia. No entanto, os íons rápidos que aquecem o plasma também podem ressoar com as ondas do plasma. Isso pode fazer com que essas ondas cresçam e potencialmente expulsem os íons rápidos do dispositivo.

Os pesquisadores precisam compreender as interações ressonantes entre íons rápidos e ondas de plasma para prever e mitigar quaisquer efeitos adversos. Um estudo, agora publicado em Physical Review Letters , combinou cálculos matemáticos com simulações de computador para revelar como diferentes tipos de colisões competem para determinar a forma como a energia é transferida entre as partículas ressonantes e as ondas de plasma.

Os investigadores estão a utilizar este novo conhecimento para formular modelos de como manter os plasmas suficientemente quentes para sustentar as reações de fusão. O problema do plasma onda-partícula ressonante também é relevante para algumas interações gravitacionais em galáxias. Isto significa que os métodos deste projeto podem ser aplicados à pesquisa astrofísica, incluindo trabalhos sobre matéria escura.

Em experimentos de fusão, os íons rápidos mantêm o plasma quente o suficiente para se fundir, transferindo sua energia para o plasma de fundo por meio de colisões com elétrons. Ocorrem dois tipos distintos de colisões:espalhamento difusivo e arrasto convectivo. As colisões difusivas são do mesmo tipo que levam à dispersão de bolas de bilhar em uma mesa de sinuca.

Enquanto isso, as colisões por arrasto são responsáveis ​​pela força que você sente na mão ao colocá-la para fora da janela de um carro em movimento. Dependendo da velocidade dos íons rápidos e da temperatura do plasma, cada tipo de colisão compete para exercer maior influência no comportamento dos íons rápidos. Especificamente, uma maior velocidade de íons rápidos torna o arrasto mais importante, enquanto uma temperatura plasmática mais alta favorece a difusão.

Ao mesmo tempo que os iões rápidos aquecem o plasma de fundo através de colisões, também podem interagir ressonantemente com ondas de plasma que agem para minar a sua energia, potencialmente arrefecendo o plasma. Sem quaisquer colisões, uma ressonância entre os íons rápidos e as ondas só ocorre quando a velocidade das partículas corresponde exatamente à velocidade da onda.

Os cientistas sabem há muito tempo que as colisões difusivas agem para “manchar” a ressonância, permitindo que as partículas troquem energia de forma eficiente com a onda, mesmo que a sua velocidade seja um pouco mais rápida ou mais lenta do que a da onda. A nova descoberta desta pesquisa é que quando o arrasto está presente, este tipo de colisão muda a velocidade na qual a ressonância ocorre, implicando que a energia é realmente trocada de forma mais eficiente quando há uma pequena diferença entre a velocidade do íon rápido e do plasma. ondas.

Neste estudo, os pesquisadores caracterizaram a força da interação onda-partícula com um objeto matemático denominado função de ressonância, que depende da diferença entre as velocidades da onda e da partícula. Quando as colisões de arrasto acontecem com muito mais frequência do que as difusivas, algo ainda mais bizarro acontece:há velocidades inteiramente novas nas quais a transferência eficiente de energia se torna possível.

Este fenômeno cria efetivamente novas ressonâncias que não existiam sem arrasto, representadas por novos picos que aparecem na função de ressonância e ampliam o alcance da interação ressonante. A função de ressonância, derivada inteiramente teoricamente, determina quão grandes as ondas se tornarão ao se alimentarem da energia livre dos íons rápidos ressonantes, e também como essas partículas serão expulsas pela onda.

Simulações computacionais não lineares encontraram excelente concordância com as previsões teóricas, confirmando a validade da função de ressonância derivada para qualquer combinação dos dois tipos de colisões e avançando nossa compreensão fundamental de como as colisões influenciam as interações onda-partícula ressonante em plasmas. Com a teoria básica verificada, ela pode agora ser aplicada com segurança para melhorar os códigos usados ​​para simular a rapidez com que os íons se comportam em dispositivos de fusão, um passo crucial no caminho para o desenvolvimento de usinas de energia de fusão comerciais.

Mais informações: VN Duarte et al, Deslocamento e divisão de linhas de ressonância devido ao atrito dinâmico em plasmas, Cartas de revisão física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.105101
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA