Os cientistas conseguiram um avanço nota¡vel no projeto conceitual de estelaradores sinuosos, instalações magnanãticas experimentais que poderiam reproduzir na Terra a energia de fusão que alimenta o sol e as estrelas. A descoberta mostra como moldar com mais precisão os campos magnanãticos envolventes em stellarators para criar uma capacidade sem precedentes de manter o combusta­vel de fusão unido.

"O principal foi desenvolver um software que permite experimentar rapidamente novos manãtodos de design", disse Elizabeth Paul, bolsista de pa³s-doutorado presidencial da Universidade de Princeton no Laborata³rio de Fa­sica de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA e coautora de um documento que detalha a descoberta em Physical Review Letters . Os resultados produzidos por Paul e o autor principal Matt Landreman, da Universidade de Maryland, podem aumentar a capacidade dos stellarators de colher a fusão para gerar energia elanãtrica segura e livre de carbono para a humanidade.

Os Stellarators, inventados pelo astrofisico de Princeton e fundador do PPPL, Lyman Spitzer, na década de 1950, hámuito estãoatrás dos tokamaks no esfora§o mundial para produzir energia de fusão controlada. Mas os desenvolvimentos recentes que incluem o desempenho impressionante do stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) na Alemanha, os extensos resultados do Large Helical Device (LHD) no Japa£o, os resultados promissores do Helically Symmetric Experiment (HSX) em Madison , Wisconsin, e a proposta de uso de a­ma£s permanentes simples para substituir bobinas stellarator complexas criaram um renascimento do interesse nas ma¡quinas sinuosas.

A fusão cria uma vasta energia em todo o universo combinando elementos leves na forma de plasma, o estado quente e carregado da matéria composto de elanãtrons livres e núcleos ata´micos, ou a­ons, que compõem 99% do universo visível. Stellarators poderiam produzir versaµes de laboratório do processo sem risco de interrupções prejudiciais que as instalações de fusão tokamak mais amplamente usadas enfrentam.

No entanto, os campos magnanãticos de torção nos estelaradores tem sido menos eficazes em confinar os caminhos dos a­ons e elanãtrons do que os campos simanãtricos em forma de rosquinha nos tokamaks rotineiramente, causando uma perda grande e sustentada do calor extremo necessa¡rio para reunir os a­ons para liberar energia de fusão. Além disso, as bobinas complexas que produzem os campos estelarator são difa­ceis de projetar e construir.

A descoberta atual produz o que échamado de "quasisimetria" em stellarators para quase igualar a capacidade de confinamento dos campos simanãtricos de um tokamak. Enquanto os cientistas hámuito procuram produzir quase-simetria em estelarators retorcidos, a nova pesquisa desenvolve um truque para cria¡-lo com quase precisão. O truque usa um novo software de ca³digo aberto chamado SIMSOPT (Simons Optimization Suite), projetado para otimizar os stellarators refinando lentamente a forma simulada do limite do plasma que marca os campos magnanãticos. "A capacidade de automatizar as coisas e testar rapidamente as coisas com este novo software torna essas configurações possa­veis", disse Landreman.

Os cientistas também podem aplicar as descobertas ao estudo de problemas astrofisicos, disse ele. Na Alemanha, uma equipe estãodesenvolvendo um stellarator quase simanãtrico para confinar e estudarpartículas de antimatéria, como as encontradas no Espaço. "a‰ exatamente o mesmo desafio da fusão", disse Landreman. "Vocaª são precisa garantir que aspartículas permanea§am confinadas."

O avanço fez algumas suposições simplificadoras que exigira£o aprimoramento. Por simplicidade, por exemplo, a pesquisa considerou um regime em que a pressão e a corrente elanãtrica no plasma fossem pequenas. "Fizemos algumas suposições simplificadoras, mas a pesquisa éum passo significativo no futuro, porque mostramos que vocêpode realmente obter quase-simetria precisa que por muito tempo se pensou não ser possí­vel", disse Paul.

Tambanãm precisando de mais desenvolvimento antes que as descobertas possam ser realizadas, estãoas novas bobinas do stellarator e a engenharia detalhada do design do stellarator. O campo magnético pode ser fornecido em parte pelos a­ma£s permanentes que a PPPL estãodesenvolvendo para agilizar as bobinas estelaradoras torcidas de hoje. "As maiores pea§as que faltam são os a­ma£s, a pressão e a corrente", disse Landreman.

O trabalho de Paul no papel PRL estãoentre as realizações durante o segundo ano de sua bolsa presidencial de Princeton. Anteriormente, ela ganhou o altamente competitivo Praªmio de Tese de Doutorado Marshall N. Rosenbluth de 2021 da American Physical Society por sua dissertação na Universidade de Maryland, na qual Landreman foi orientadora. Ela agora trabalha com o estudante de pós-graduação do PPPL Richard Nies, que publicou recentemente um artigo que aplica as ferramentas matemáticas que sua tese de Maryland desenvolveu para acelerar a produção de quase-simetria.

Supervisionando o trabalho de Paul em Princeton estãoo fa­sico do PPPL Amitava Bhattacharjee, professor de ciências astrofa­sicas de Princeton que também supervisiona o projeto "Simetrias Ocultas e Energia de Fusão" patrocinado pela Fundação Simons em Nova York que financiou o artigo da PRL. "O trabalho de Matt e Elizabeth faz uso ha¡bil das ferramentas matemáticas e computacionais desenvolvidas nos últimos anos na otimização de stellarator e estabelece, sem sombra de daºvida, que podemos projetar campos magnanãticos de stellarator quase simanãtricos com umnívelde precisão sem precedentes. a‰ um triunfo do design computacional."

O trabalho do Stellarator no projeto Simons éparalelo a  pesquisa do PPPL para desenvolver o dispositivo promissor que o Laborata³rio inventou hácerca de 70 anos. Tal desenvolvimento combinaria as melhores caracteri­sticas de stellarators e tokamaks para projetar uma instalação livre de interrupções com forte confinamento de plasma para reproduzir uma fonte virtualmente ilimitada de energia de fusão.