O HIBEF fornece informações sobre a estrutura dos materiais e sobre processos naturais muito rápidos, como aqueles que ocorrem em amostras de matéria densa e quente. Crédito: HZDR / Laboratório de Comunicação Científica
Uma opção promissora para a criação de uma fonte de energia produtiva e sustentável na Terra é a fusão de núcleos de hidrogênio. O problema? Pressões e temperaturas extremamente altas são necessárias para desencadear o processo de fusão nuclear. Tecnologicamente, isso poderia ser alcançado usando flashes de laser (“fusão a laser” ou “fusão por confinamento inercial”). Ao redigir o projeto “Otimização de laser de raios X da fusão a laser” (Röntgenlaser-Optimierung der Laserfusion, ROLF), o Dr. Tobias Dornheim do Centro de Compreensão de Sistemas Avançados (CASUS) no Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) agora pretende para melhorar a compreensão teórica da compressão de hidrogênio. Em vez do método de “tentativa e erro”, as experiências de fusão a laser poderiam ser concebidas e realizadas de uma forma mais direcionada no futuro – um pré-requisito essencial para uma central elétrica de fusão comercial. Além da UE através do “Fundo para uma Transição Justa”, o Estado Livre da Saxónia também contribui diretamente para o financiamento do projeto.
As pressões e temperaturas extraordinariamente altas necessárias para os processos de fusão são alcançadas pela compressão de uma cápsula inicialmente muito fria cheia com os isótopos de hidrogênio deutério e trítio. Durante a reação de fusão, o hidrogênio entra em um estado particular por um certo tempo – o de matéria densa quente (WDM). Este reino, localizado aproximadamente entre a matéria condensada e a matéria quente plasma em termos de pressão e temperatura, é a área de especialização da Dornheim. No final de 2022, o jovem investigador recebeu um “Starting Grant” do Conselho Europeu de Investigação no valor de quase 1,5 milhões de euros através de procedimento concorrencial. O trabalho no projeto está em andamento: Dornheim e sua equipe estão desenvolvendo aprendizado de máquina métodos que devem permitir uma descrição teórica confiável do WDM. O projecto de transição estrutural centra-se agora num desafio mais prático.
“Uma questão importante da fusão a laser é alcançar uma compressão estável com a explosão do laser”, explica Dornheim, líder do Grupo de Jovens Investigadores “Fronteiras da Teoria Quântica Computacional de Muitos Corpos” no CASUS e responsável pelo projeto ROLF. “É imperativo que a cápsula de combustível imploda da forma mais uniforme possível, ou seja, sem quaisquer instabilidades, para garantir que a maior quantidade possível de combustível seja fundida e uma quantidade correspondente de energia utilizável seja liberada. Para conseguir isso, devemos primeiro melhorar a nossa compreensão de como o WDM se comporta.”
A matéria quente e densa, como a que pode ser encontrada, por exemplo, nos núcleos dos planetas e das estrelas, é investigada experimentalmente em instalações de investigação de grande escala, como a Linha de luz internacional Helmholtz para campos extremos (HIBEF) no XFEL Europeu e no Instalação Nacional de Ignição (NIF) no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, nos EUA. Nessas instalações, o WDM pode ser gerado por frações de segundo usando poderosos flashes de laser. A equipe de Dornheim está cooperando com ambas as instituições. Um importante método experimental para analisar a fusão a laser é o espalhamento de raios X Thomson (XRTS), e é aí que entra o novo projeto ROLF.
Tornando o diagnóstico por raios X acessível a todos
Para diagnósticos usando espalhamento de raios X, uma fonte de raios X é direcionada a uma amostra. As mudanças de energia dos fótons desviados na amostra são medidas e usadas para tirar conclusões sobre as propriedades do material. Até agora, a avaliação dos dados medidos baseava-se principalmente numa série de aproximações não controladas. Há um ano, porém, a equipe CASUS demonstrou que a avaliação precisa dos dados é possível sem usar quaisquer simulações ou modelos com todas as suas aproximações e suposições.
Dornheim e a sua equipa recorrem a um método matemático fundamental, nomeadamente a transformada de Laplace. Dentro do ROLF, os pesquisadores planejam criar um pacote de software de código aberto para tornar este método de avaliação acessível a todos os especialistas em fusão a laser. Além disso, eles pretendem desenvolver ainda mais o método para facilitar aplicações além da determinação de temperatura de alta precisão e sem modelo usando medições XRTS. No futuro, também deverá ser possível determinar outras variáveis relevantes, como a densidade ou o grau de ionização do WDM.
A equipe em Görlitz pretende então usar o software recém-projetado para analisar dados XRTS existentes, por exemplo, do XFEL europeu, para desenvolver e testar experimentalmente novos métodos de medição para dispersão de raios X. Assim que o diagnóstico XRTS tiver uma base sólida, as descobertas derivadas do espalhamento de raios X serão incorporadas às simulações de fusão a laser. “Assumimos que os parâmetros derivados destas simulações permitirão uma compressão significativamente melhor da cápsula e darão início a uma nova geração de experiências de fusão,” diz Dornheim, dando uma breve perspectiva.
HZDR pode contribuir para a fusão a laser
Recentemente, o Ministério Federal da Educação e Pesquisa (BMBF) apresentou um novo programa de financiamento para pesquisa em fusão. O objectivo é desempenhar um papel decisivo no desafio internacional para alcançar a operação económica de uma central de fusão. Um recentemente publicado Documento de posição do BMBF enfatiza a necessidade de “diagnósticos refinados para validar códigos e modelos”. O Prof. Sebastian M. Schmidt, Diretor Científico do HZDR, está extremamente satisfeito com a aprovação do financiamento para o projeto CASUS: “Com HIBEF, CASUS e nossos lasers de alta potência DRACO e PENELOPE, o HZDR está em excelente posição para fazer contribuições significativas à pesquisa sobre fusão a laser. Podemos decifrar os processos fundamentais que abrem o caminho para a aplicação.”
O Fundo para uma Transição Justa (FTJ) é um instrumento de financiamento da União Europeia que beneficia principalmente as regiões dependentes da hulha e da lenhite. Um total de 375 milhões de euros está disponível para a parte saxónica da região mineira de lenhite da Lusácia. Embora a maior parte do financiamento seja reservada para apoiar a economia nas áreas mais afetadas pelas mudanças estruturais, as instituições académicas também podem candidatar-se a financiamento de projetos de investigação e desenvolvimento. A CASUS conseguiu assim garantir um financiamento de 100% de mais de 700.000 euros para o ROLF através da directiva de financiamento “Research InfraProNet 2021 – 2027”.
