Koel aplica ciência da química de superfície à pesquisa de fusão no PPPL

O professor de Engenharia Química e Biológica de Princeton, Bruce Koel, está trabalhando com cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton para aplicar a ciência da química de superfície para resolver um dos maiores obstáculos enfrentados pela fusão: como manter a reação de fusão acesa por longos períodos. Nota: As fotos desta matéria mostram pesquisadores com equipamentos que não estão em uso no momento da fotografia.

Fotos de Elle Starkman

No laboratório no corredor do novo escritório de Bruce Koel, a temperatura está prestes a subir mais de 11 milhões de graus centígrados em uma câmara do tamanho de uma banheira de hidromassagem que abriga a energia de uma estrela em chamas.

A câmara está instalada no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA, onde os cientistas estão explorando maneiras de aproveitar a fusão de átomos, o mesmo processo que alimenta o Sol e outras estrelas, para fornecer energia segura, limpa e abundante para residências e empresas.

Koel, professor de engenharia química e biológica na Universidade de Princeton, está se juntando aos cientistas do PPPL para enfrentar o desafio de capturar a energia do Sol na Terra. Nomeado para o corpo docente de Princeton no ano passado, a experiência de Koel é em química de superfície. Sua missão no PPPL é aplicar a ciência das superfícies para resolver um dos maiores obstáculos enfrentados pela fusão: como manter a reação de fusão acesa por longos períodos.

A fusão dos átomos libera grandes quantidades de energia, mas o processo só pode ocorrer em temperaturas extremamente altas. Para que a fusão seja a base da central eléctrica do futuro, os cientistas precisam de encontrar formas de evitar o arrefecimento do processo.

Surpreendentemente, um revestimento metálico fino, da largura de um fio de cabelo humano, na parede interna do reator poderia ajudar a evitar esse resfriamento. Koel está colaborando com cientistas do PPPL para estudar materiais para este revestimento. O revestimento mais promissor é o lítio, o metal mais leve da Terra e o único metal que flutua na água.

Para estudar as interações do lítio sob condições semelhantes às que podem ser encontradas em um reator de fusão, o lítio em uma amostra de molibdênio TZM, que é uma liga de molibdênio, titânio, zircônio e carbono conhecida por suas propriedades de alta resistência e temperatura, é aquecido. dentro de uma câmara de ultra-alto vácuo equipada com uma série de espectrômetros de elétrons e íons.

Manter temperaturas na casa dos milhões de graus é essencial porque a fusão ocorre quando certas formas, ou isótopos, de átomos de hidrogénio ficam tão aquecidos que os seus núcleos carregados positivamente se separam dos seus electrões carregados negativamente para formar uma nuvem carregada chamada plasma. Esses núcleos de hidrogênio giram e colidem uns com os outros em alta velocidade, resultando na fusão dos núcleos e na liberação de energia.

Este plasma é tão quente que apenas um campo de força magnética, alojado dentro de uma câmara cilíndrica de aço inoxidável e cobre, pode contê-lo. Mas as partículas perdidas escapam constantemente da nuvem carregada e atingem a parede da câmara, voltando depois para o plasma. A ciclagem de partículas frias de volta ao gás escaldante esfria o plasma e faz com que ele se torne turbulento e instável.

Embora as placas de carbono resistentes ao calor revestam o interior da câmara, elas não impedem que as partículas entrem e saiam do plasma, que fica confinado no meio do recipiente pelo campo magnético e não entra em contato direto com as paredes da câmara. "Não importa o quão quente você deixe o meio, as paredes são frias", disse Richard Majeski, principal físico pesquisador do PPPL e conferencista com categoria de professor em ciências astrofísicas. "É como um isolamento ruim em uma casa."

Um revestimento de lítio no interior da câmara, contudo, pode agir como uma esponja, absorvendo partículas perdidas que fogem da reação de fusão.

Koel (à direita) e o estudante de graduação em engenharia mecânica e aeroespacial Ryan Sullenberger (à esquerda) usam raios X para explodir elétrons da superfície de uma amostra e medir suas energias neste dispositivo, um espectrômetro fotoelétron de raios X. Esta informação pode revelar o que acontece com o lítio durante a fusão e ajudar os pesquisadores a encontrar maneiras de melhorar os revestimentos de lítio em experimentos com reatores de fusão.