Foi um momento de três anos em construção, com base em pesquisa intensiva e trabalho de design: em 5 de setembro, pela primeira vez, um grande eletroa­ma£ supercondutor de alta temperatura foi aumentado para uma intensidade de campo de 20 tesla, o magnético mais poderoso campo desse tipo já criado na Terra. Essa demonstração bem-sucedida ajuda a resolver a maior incerteza na busca pela construção da primeira usina de fusão do mundo que pode produzir mais energia do que consome, de acordo com os lideres do projeto no MIT e na startup Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Esse avanço abre o caminho, dizem eles, para a tão procurada criação de usinas de energia prática s, baratas e livres de carbono que poderiam dar uma grande contribuição para limitar os efeitos da mudança climática global.

"A fusão de várias maneiras éa melhor fonte de energia limpa", disse Maria Zuber, vice-presidente de pesquisa do MIT e professor de geofa­sica da EA Griswold. "A quantidade de energia dispona­vel realmente muda o jogo." O combusta­vel usado para criar a energia de fusão vem da a¡gua, e "a Terra estãocheia de água- éum recurso quase ilimitado. Sa³ temos que descobrir como utiliza¡-lo."

O desenvolvimento do novo a­ma£ évisto como o maior obsta¡culo tecnola³gico para que isso acontea§a; sua operação bem-sucedida agora abre a porta para a demonstração da fusão em um laboratório na Terra, que tem sido perseguido por décadas com progresso limitado. Com a tecnologia magnanãtica agora demonstrada com sucesso, a colaboração MIT-CFS estãono caminho certo para construir o primeiro dispositivo de fusão do mundo que pode criar e confinar um plasma que produz mais energia do que consome. Esse dispositivo de demonstração, denominado SPARC, deve ser conclua­do em 2025.

"Os desafios de fazer a fusão acontecer são técnicos e cienta­ficos", disse Dennis Whyte, diretor do Plasma Science and Fusion Center do MIT, que estãotrabalhando com a CFS para desenvolver SPARC. Mas uma vez que a tecnologia seja comprovada, diz ele, "éuma fonte de energia inesgota¡vel e livre de carbono que vocêpode implantar em qualquer lugar e a qualquer momento. a‰ realmente uma fonte de energia fundamentalmente nova".

Whyte, que éo professor de engenharia da Hitachi America, diz que a demonstração desta semana representa um marco importante, abordando as maiores questões remanescentes sobre a viabilidade do projeto SPARC. “a‰ realmente um divisor de a¡guas, acredito, na fusão ciência e tecnologia”, diz ele.

A fusão éo processo que alimenta o sol: a fusão de dois pequenos a¡tomos para formar um maior, liberando quantidades prodigiosas de energia. Mas o processo requer temperaturas muito além do que qualquer material sãolido poderia suportar. Para capturar a fonte de energia do sol aqui na Terra, o que énecessa¡rio éuma forma de capturar e conter algo tão quente - 100 milhões de graus ou mais - suspendendo-o de uma forma que evite que entre em contato com qualquer coisa sãolida.

Isso éfeito por meio de campos magnanãticos intensos, que formam uma espanãcie de garrafa invisível para conter a sopa quente rodopiante de pra³tons e elanãtrons, chamada plasma. Como aspartículas tem carga elanãtrica, elas são fortemente controladas pelos campos magnanãticos, e a configuração mais usada para contaª-las éum dispositivo em forma de donut chamado tokamak. A maioria desses dispositivos produziu seus campos magnanãticos usando eletroa­ma£s convencionais feitos de cobre, mas a versão mais recente e maior em construção na Frana§a, chamada ITER, usa o que éconhecido como supercondutores de baixa temperatura.

A principal inovação no projeto de fusão MIT-CFS éo uso de supercondutores de alta temperatura, que permitem um campo magnético muito mais forte em um espaço menor. Esse projeto foi possibilitado por um novo tipo de material supercondutor que se tornou comercialmente dispona­vel hálguns anos. A ideia surgiu inicialmente como um projeto de aula em uma aula de engenharia nuclear ministrada por Whyte. A ideia parecia tão promissora que continuou a ser desenvolvida nas próximas iterações dessa classe, levando ao conceito de projeto de usina ARC no ini­cio de 2015. SPARC, projetado para ter cerca de metade do tamanho do ARC, éum teste para provar o conceito antes da construção da usina de produção de energia em tamanho real.

Atéagora, a única maneira de atingir os campos magnanãticos colossalmente poderosos necessa¡rios para criar uma "garrafa" magnanãtica capaz de conter plasma aquecido a centenas de milhões de graus era torna¡-los cada vez maiores. Mas o novo material supercondutor de alta temperatura, feito na forma de uma fita plana semelhante a uma fita, torna possí­vel atingir um campo magnético maior em um dispositivo menor, igualando o desempenho que seria alcana§ado em um aparelho 40 vezes maior em volume usando a­ma£s supercondutores convencionais de baixa temperatura. Esse salto em potaªncia versus tamanho éo elemento-chave no design revoluciona¡rio da ARC.

O uso dos novos a­ma£s supercondutores de alta temperatura torna possí­vel aplicar décadas de conhecimento experimental adquirido com a operação de experimentos de tokamak, incluindo a própria sanãrie Alcator do MIT. A nova abordagem usa um design bem conhecido, mas reduz tudo para cerca de metade do tamanho linear e ainda atinge as mesmas condições operacionais por causa do campo magnético mais alto.

Uma sanãrie de artigos cienta­ficos publicados no ano passado delineou a base física e, por simulação, confirmou a viabilidade do novo dispositivo de fusão. Os artigos mostraram que, se os a­ma£s funcionassem como esperado, todo o sistema de fusão deveria de fato produzir potaªncia la­quida, pela primeira vez em décadas de pesquisas sobre fusão.

Martin Greenwald, vice-diretor e cientista pesquisador saªnior do PSFC, diz que, ao contra¡rio de alguns outros projetos para experimentos de fusão, "o nicho que esta¡vamos preenchendo era usar a física convencional de plasma e projetos e engenharia de tokamak convencionais, mas trazendo para isso este novo a­ma£ tecnologia. Portanto, não esta¡vamos exigindo inovação em meia daºzia de áreas diferentes. Na³s apenas inovara­amos no a­ma£ e, em seguida, aplicara­amos a base de conhecimento do que foi aprendido nas últimas décadas. "

Essa combinação de princa­pios de design cientificamente estabelecidos e força do campo magnético revoluciona¡rio éo que torna possí­vel alcana§ar uma planta que poderia ser economicamente via¡vel e desenvolvida em um caminho rápido. "a‰ um grande momento", disse Bob Mumgaard, CEO da CFS. "Agora temos uma plataforma que écientificamente muito avana§ada, por causa das décadas de pesquisa nessas ma¡quinas, e também muito interessante comercialmente. O que ela faz énos permitir construir dispositivos mais rápidos, menores e com menor custo". ele diz sobre o sucesso da demonstração do a­ma£.

Trazer esse novo conceito de a­ma£ para a realidade exigiu três anos de trabalho intensivo em design, estabelecimento de cadeias de suprimentos e elaboração de manãtodos de fabricação para a­ma£s que podem eventualmente precisar ser produzidos aos milhares.

"Construa­mos um a­ma£ supercondutor inanãdito. Foi necessa¡rio muito trabalho para criar processos e equipamentos de fabricação exclusivos. Como resultado, agora estamos bem preparados para acelerar a produção SPARC", diz Joy Joy Dunn, chefe de operações da CFS. "Comea§amos com um modelo fa­sico e um design CAD e trabalhamos em muitos desenvolvimentos e prota³tipos para transformar um design no papel neste a­ma£ fa­sico real." Isso envolveu a construção de capacidades de manufatura e instalações de teste, incluindo um processo iterativo com vários fornecedores de fita supercondutora, para ajuda¡-los a alcana§ar a capacidade de produzir material que atendesse a s especificações necessa¡rias - e para o qual a CFS éagora esmagadoramente o maior usua¡rio do mundo.

Eles trabalharam com dois designs de a­ma£ possa­veis em paralelo, os quais acabaram atendendo aos requisitos de design, diz ela. "Na verdade, decidimos qual revolucionaria a maneira como fazemos a­ma£s supercondutores e qual seria mais fa¡cil de construir." O design que eles adotaram claramente se destacou a esse respeito, diz ela.

Neste teste, o novo a­ma£ foi gradualmente ligado em uma sanãrie de etapas atéatingir a meta de um campo magnético de 20 tesla - a maior intensidade de campo de todos os tempos para um a­ma£ de fusão supercondutor de alta temperatura. O a­ma£ écomposto de 16 placas empilhadas, cada uma das quais, por si são, seria o a­ma£ supercondutor de alta temperatura mais poderoso do mundo.

"Traªs anos atrás, anunciamos um plano", diz Mumgaard, "para construir um a­ma£ de 20 tesla, que éo que precisaremos para futuras ma¡quinas de fusão." Essa meta agora foi alcana§ada, dentro do prazo, mesmo com a pandemia, diz ele.

Citando a sanãrie de artigos de física publicados no ano passado, Brandon Sorbom, o diretor de ciências da CFS, diz "basicamente os artigos concluem que, se construirmos o a­ma£, toda a física funcionara¡ em SPARC. Portanto, esta demonstração responde a  pergunta: Eles podem construir o a­ma£? a‰ um momento muito emocionante! a‰ um grande marco. "

A próxima etapa seráconstruir SPARC, uma versão em escala menor da planejada usina ARC. A operação bem-sucedida do SPARC demonstrara¡ que uma usina de fusão comercial em grande escala é prática , abrindo caminho para um projeto e construção rápidos para que esse dispositivo pioneiro possa prosseguir a toda velocidade.

Zuber diz que "agora estou genuinamente otimista de que SPARC pode alcana§ar energia positiva la­quida, com base no desempenho demonstrado dos a­ma£s. A próxima etapa éaumentar a escala, construir uma usina de energia real. Ainda hámuitos desafios pela frente, não o menos do que édesenvolver um projeto que permita uma operação confia¡vel e sustentada. E percebendo que o objetivo aqui éa comercialização, outro grande desafio seráecona´mico. Como vocêprojeta essas usinas de modo que seja econa´mico construa­-las e implanta¡-las? "

Algum dia em um futuro esperado, quando pode haver milhares de usinas de fusão alimentando redes elanãtricas limpas em todo o mundo, Zuber diz: "Acho que vamos olhar para trás e pensar sobre como chegamos la¡, e acho que a demonstração da tecnologia do a­ma£, para mim, éo momento em que acreditei que, uau, podemos realmente fazer isso. "

A criação bem-sucedida de um dispositivo de fusão para produção de energia seria uma grande conquista cienta­fica, observa Zuber. Mas esse não éo ponto principal. "Nenhum de nosestãotentando ganhar trofanãus neste momento. Estamos tentando manter o planeta habita¡vel."