Ímãs permanentes semelhantes aos usados ??em geladeiras podem acelerar o desenvolvimento da energia de fusão – a mesma energia produzida pelo sol e pelas estrelas.
Em princípio, esses ímãs podem simplificar bastante o design e a produção de instalações de fusão sinuosas chamadas stellarators, de acordo com cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (PPPL) e do Instituto Max Planck de Física de Plasma em Greifswald, Alemanha . O fundador da PPPL, Lyman Spitzer Jr., inventou o stellarator no início dos anos 50.
A maioria dos stellarators usa um conjunto de bobinas trançadas complexas que espiralam como listras em um bastão de doces para produzir campos magnéticos que moldam e controlam o plasma que alimenta as reações de fusão. Os ímãs permanentes do tipo geladeira podem produzir a parte mais difícil desses campos essenciais, dizem os pesquisadores, permitindo que bobinas simples e sem torção produzam a parte restante no lugar das bobinas complexas.
Bobinas trançadas mais caras
“As bobinas trançadas são a parte mais cara e complicada do stellarator e precisam ser fabricadas com muita precisão de uma maneira muito complicada”, disse o físico Per Helander, chefe da Divisão de Teoria do Stellarator em Max Planck e principal autor de um artigo. descrevendo a pesquisa em Physical Review Letters (PRL). “Estamos tentando diminuir o requisito das bobinas usando ímãs permanentes”.
Os stellarators simplificadores, que correm sem o risco de interrupções prejudiciais que os dispositivos de fusão de tokamak mais amplamente enfrentados, podem ter um grande apelo. “Estou extremamente empolgado com o uso de ímãs permanentes para moldar o plasma em stellarators”, disse Steve Cowley, diretor do PPPL e co-autor do artigo. “Isso leva a um projeto de engenharia muito mais simples”.
A fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, combina elementos de luz na forma de plasma – o estado quente e carregado da matéria, composto por elétrons livres e núcleos atômicos – que gera enormes quantidades de energia. Cientistas de todo o mundo estão usando tokamaks, stellarators e outras instalações no esforço de criar e controlar a fusão na Terra para um suprimento praticamente inesgotável de energia segura e limpa para gerar eletricidade.
A idéia inovadora para ímãs permanentes é um desdobramento de um projeto de feira de ciências que Jonathan Zarnstorff, filho do cientista-chefe da PPPL Michael Zarnstorff, co-autor do artigo, montou no ensino médio. Jonathan queria construir um canhão ferroviário, um dispositivo que geralmente usa corrente de alta tensão para gerar um campo magnético que pode disparar um projétil. Mas a corrente de alta tensão seria perigosa para uso em sala de aula.
Solução de pai e filho
A solução que pai e filho chegaram foi usar ímãs permanentes de neodímio, ou terras raras, para produzir com segurança o campo magnético. Os ímãs de terras raras têm propriedades surpreendentes e úteis. Eles geram campos bastante poderosos para o tamanho pequeno dos ímãs, e esses são campos “rígidos” que quase não são afetados por outros campos próximos. Esses ímãs poderiam, assim, fornecer o que os físicos chamam de parte “poloidal” de um campo estelar em espiral, enquanto bobinas redondas simples poderiam fornecer a parte “toroidal” que compõe o restante do campo. “Eu pensei nisso ao longo dos anos, mas não tive tempo para desenvolver a idéia”, disse Zarnstorff. A noção finalmente se concretizou durante as discussões com Cowley e o físico Cary Forest, da Universidade de Wisconsin-Madison.
Os ímãs permanentes estão sempre “ativados” em nítido contraste com as bobinas eletromagnéticas padrão usadas pelos stellarators e tokamaks. Tais bobinas criam campos magnéticos quando uma corrente elétrica passa por eles – corrente que requer fontes de energia que os ímãs permanentes não precisam. Outras vantagens do uso de ímãs permanentes para simplificar as bobinas do stellarator incluem:
Custo mais baixo do que os eletroímãs artesanais;
Criação de amplo espaço entre as bobinas simplificadas para facilitar a manutenção; Capacidade de reposicionar os ímãs para criar uma variedade de formas para os campos magnéticos; Riscos reduzidos de engenharia e fabricação.
Os ímãs permanentes também têm desvantagens. “Você não pode desligá-los”, disse Helander, o que significa que eles podem atrair qualquer coisa que possam atrair dentro do alcance. Eles também produzem força máxima limitada no campo, disse ele. No entanto, esses ímãs “podem ser ótimos para criar experimentos a caminho de um reator”, acrescentou, “e ímãs permanentes mais fortes podem ficar disponíveis”.
Novo conjunto de ferramentas
Para o Zarnstorff, os ímãs permanentes são “uma estratégia e um novo conjunto de ferramentas, e temos que descobrir como usá-los”. Ele agora planeja vários usos. Primeiro, a construção de um stellarator de mesa com ímãs permanentes instalados. Mais adiante, ele espera que o PPPL possa produzir o primeiro stellarator simples e otimizado do mundo, projetado para atender a metas de desempenho específicas. Essa instalação pode ser atualizada para aumentar sua força de campo, em preparação para o desenvolvimento contínuo da máquina simplificada. Eventualmente, um stellarator incluindo ímãs permanentes pode produzir energia para gerar eletricidade para toda a humanidade.
Publicado em 16/03/2020 05h19
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