No caminho para escrever a dissertação de seu doutorado, Lucio Milanese fez uma descoberta, que redirecionou sua pesquisa e agora provavelmente dominará sua tese.
Milanese estuda plasma, um fluxo gasoso de íons e elétrons que compreende 99% do universo visível, incluindo a ionosfera da Terra, o espaço interestelar, o vento solar e o ambiente das estrelas. Plasmas, como outros fluidos, são freqüentemente encontrados em um estado turbulento caracterizado por movimentos caóticos e imprevisíveis, proporcionando múltiplos desafios aos pesquisadores que buscam entender o universo cósmico ou esperam aproveitar plasmas em chamas para a energia de fusão.
Milanese está interessado no que o físico Richard Feynman chamou de “o problema não resolvido mais importante da física clássica” – a turbulência. Neste caso, o foco é a turbulência do plasma, sua natureza e estrutura.
“Digamos que você mexa uma xícara de chá com uma colher: você está criando um vórtice, um redemoinho, na escala da xícara. Esse vórtice de grande escala eventualmente se divide em vórtices menores, que se fragmentam em estruturas cada vez menores. Eventualmente, esta cascata irá gerar estruturas pequenas o suficiente para que se dissipem e a energia se transforme em calor. ”
Em um artigo publicado recentemente na Physics Review Letters, Milanese oferece um mecanismo recém-descoberto chamado “alinhamento de fase dinâmica” para descobrir como a turbulência transfere energia de escalas grandes para escalas menores. Milanese, um Ph.D. em ciência nuclear e engenharia. candidato no Plasma Science and Fusion Center, considera a descoberta um “bloco de construção de uma teoria geral da turbulência.”
?A turbulência é complexa e caótica, mas não é completamente sem lei: a dinâmica geral deve obedecer a algumas restrições?, diz Milanese. “Uma restrição mecânica universal é que a energia deve ser conservada. Nos sistemas que estudamos, também existe uma restrição topológica: a quantidade total de helicidade – o grau em que os vórtices giram e espiralam – é conservada.”
Milanese explica que ambas as afirmações de conservação se aplicam a todas as escalas físicas, exceto as menores, onde a dissipação não pode mais ser ignorada.
“Para os tipos de sistemas que são modelados pelas equações que consideramos – e existem muitas – se desenvolvêssemos um modelo de turbulência que considera apenas a conservação de energia, inevitavelmente acabaríamos violando a restrição de conservação de helicidade. Fomos capazes de resolver esta aparente contradição, descobrindo o novo mecanismo de alinhamento de fase dinâmica. ”
Milanese está, portanto, oferecendo uma explicação para um fenômeno geralmente observado que ele chama de “a cascata conjunta de energia e helicidade”. Esse tipo de padrão em cascata é observado nos sistemas de plasma que Milanese tem estudado, como a ionosfera, o vento solar e a coroa solar.
Milanese observa que, assim como uma colher traz energia e helicidade a uma xícara de chá, o movimento do plasma na superfície do sol “injeta” essas quantidades no vento solar e na coroa solar. Uma vez que isso aconteça e a cascata comece, a energia e a helicidade são conservadas até que os vórtices turbulentos se dissipem.
Nos sistemas de plasma que Milanese explorou, a quantidade de helicidade (torção) é determinada pela correlação próxima entre as flutuações dos campos magnético e elétrico. Em grandes escalas, quando uma quantidade significativa de helicidade está presente no sistema, é estatisticamente provável que se o potencial elétrico – a voltagem – for grande, a flutuação do potencial magnético local também será grande. À medida que as estruturas de grande escala se dividem em estruturas de menor escala, isso muda progressivamente e torna-se cada vez mais provável que, se o potencial elétrico for localmente grande, a flutuação do potencial magnético será pequena, próxima de zero (e vice-versa).
“Descobrimos que, à medida que estruturas de grande escala se dividem em estruturas de escala menor, as flutuações de potencial magnético e elétrico tornam-se progressivamente mais correlacionadas. Este é um exemplo notável de como plasmas turbulentos podem se auto-organizar para respeitar as restrições mecânicas e topológicas.”
A descoberta desse alinhamento de fase dinâmico fornece uma nova lente para visualizar outros sistemas turbulentos. Milanese e seus colegas descobriram que as equações do modelo que eles adotaram para descrever os plasmas são matematicamente idênticas às que descrevem a dinâmica dos fluxos de fluidos não ionizados em rotação rápida, como furacões e tornados.
A descoberta deste novo paradigma assenta num quadro teórico desenvolvido pelo seu orientador, Professor Nuno Loureiro, e pelo colaborador do Loureiro, Professor Stanislav Boldyrev, da Universidade de Wisconsin em Madison, para descrever a dinâmica dos plasmas feitos de electrões e pósitrons – as antipartículas de elétrons. Milanese começou a trabalhar com Maximilian Daschner, um estudante de intercâmbio da ETH Zurich, para sondar a validade desse arcabouço teórico por meio de simulações numéricas.
?Foi um belo projeto numérico para uma UROP?, diz Milanese. “Achamos que terminaríamos em seis meses e publicaríamos um artigo. Mas então, dois anos depois, ainda estávamos procurando resultados interessantes.”
Christopher Chen, Ernest Rutherford Fellow na Escola de Física e Astronomia da Queen Mary University of London, e um especialista em observações de turbulência no vento solar, comenta sobre o significado da descoberta.
“Compreender a turbulência do plasma é uma parte fundamental para resolver algumas das questões de longa data na astrofísica do plasma, como a forma como a corona solar é aquecida, como o vento solar é gerado, como os campos magnéticos fortes no universo são criados e como as partículas energéticas são Os resultados deste artigo são importantes, uma vez que fornecem uma nova compreensão dos principais processos universais que operam em tais plasmas. O artigo também é significativo e oportuno, pois faz previsões que podemos testar com a sonda solar Parker e a espaçonave Solar Orbiter , que estão atualmente a caminho para estudar o sol de perto. ”
Mais perto de casa, o trabalho é relevante para os próximos experimentos no Instituto de Física do Plasma na Alemanha. Esses experimentos prenderão um número significativo de elétrons e pósitrons em uma gaiola magnética, permitindo aos pesquisadores estudar as propriedades de tal sistema, embora em temperaturas muito mais baixas do que o que é normalmente observado em configurações astrofísicas. Milanese espera que o sistema seja turbulento e acredita que ele pode ser potencialmente usado como um teste de laboratório para suas idéias.
Milanese observa que um estudo mais aprofundado do alinhamento de fase dinâmico tornou-se o grosso de sua dissertação. Ele está atualmente trabalhando para estender a aplicabilidade deste trabalho para incluir uma gama muito mais ampla de fluidos do que os tipos de plasma e fluidos de rotação rápida que ele já explorou.
Em breve, ele também ampliará sua perspectiva. No próximo ano, ele estará na Universidade Tsinghua na China como parte da classe Schwarzman Scholar de 2022. Este programa de mestrado totalmente financiado de um ano em relações exteriores oferecerá a ele oportunidades em políticas públicas, economia, negócios e relações internacionais. Milanese está ansioso para explorar o lado comercial e político da criação de uma indústria global de energia de fusão – dependente da construção de uma compreensão avançada da turbulência em plasmas, que tem sido seu foco principal.
Publicado em 16/01/2021 00h55
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