A Zap Energy alcançou um avanço na tecnologia de fusão com seu dispositivo Z pinch, FuZE, que atinge temperaturas de elétrons de 11 a 37 milhões de graus Celsius, ultrapassando as temperaturas centrais do sol, por uma fração do custo e da complexidade de outros sistemas. Um flash de luz brilhante de um plasma FuZE (Fusion Z-pinch Experiment). Crédito: Zap Energia
Um novo estudo documenta temperaturas recordes de elétrons em um dispositivo de fusão Z-pinch compacto e estabilizado com fluxo cisalhado.
Nas nove décadas desde que os humanos produziram pela primeira vez reações de fusão, apenas algumas tecnologias de fusão demonstraram a capacidade de fazer uma fusão térmica. plasma com temperaturas de elétrons superiores a 10 milhões de graus Celsius, aproximadamente a temperatura do núcleo do sol. A abordagem única da Zap Energy, conhecida como pinça Z estabilizada com fluxo cisalhadojuntou-se agora a essas fileiras rarefeitas, ultrapassando em muito este marco de temperatura plasmática num dispositivo que é uma fração da escala de outros sistemas de fusão.
Um novo artigo de pesquisa, publicado este mês em Cartas de revisão física, detalha medições feitas no Fusion Z-pinch Experiment (FuZE) da Zap Energy de temperaturas de elétrons de plasma de 1-3 keV – aproximadamente o equivalente a 11 a 37 milhões de graus Celsius (20 a 66 milhões de graus Fahrenheit). Devido à capacidade dos elétrons de resfriar rapidamente um plasma, esse feito é um obstáculo importante para os sistemas de fusão e o FuZE é o dispositivo mais simples, menor e de menor custo que conseguiu isso. A tecnologia da Zap oferece o potencial para um caminho muito mais curto e prático para um produto comercial capaz de produzir energia abundante, sob demanda e livre de carbono para o mundo.
“Essas são medições meticulosas e inequívocas, mas feitas em um dispositivo de escala incrivelmente modesta para os padrões de fusão tradicionais”, descreve Ben Levitt, vice-presidente de P&D da Zap. “Ainda temos muito trabalho pela frente, mas o nosso desempenho até à data avançou a tal ponto que agora podemos estar lado a lado com alguns dos dispositivos de fusão mais proeminentes do mundo, mas com grande eficiência e, pelo menos, uma fração da complexidade e do custo.”
O FuZE foi originalmente financiado para pesquisas no universidade de Washington pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada – Energia (ARPA-E) do Departamento de Energia dos EUA. O dispositivo foi transferido para as instalações dedicadas de P&D da Zap Energy em 2020, logo após a fundação da empresa. Os resultados deste artigo foram coletados em 2022 em uma colaboração financiada pela ARPA-E com pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e da Universidade da Califórnia, San Diego (UCSD), que lideraram o desenvolvimento do sistema de medição usado para esses resultados.
“Ao longo de muitas décadas de pesquisa de fusão controlada, apenas alguns conceitos de fusão atingiram a temperatura do elétron de 1 keV”, observa Scott Hsu, coordenador-chefe de fusão do DOE e ex-diretor do programa ARPA-E. “O que esta equipe conseguiu aqui é notável e reforça os esforços da ARPA-E para acelerar o desenvolvimento da energia de fusão comercial.”
Sopa quente
O primeiro passo para criar as condições para a fusão é gerar um plasma – o “quarto estado da matéria” energético onde os núcleos e os electrões não estão ligados entre si formando átomos, mas fluem livremente numa sopa subatómica. Comprimir e aquecer um plasma feito de duas formas de hidrogênio chamadas deutério e trítio faz com que seus núcleos colidam e se fundam. Quando isso acontece, as reações de fusão liberam cerca de 10 milhões de vezes mais energia por onça do que a queima da mesma quantidade de carvão.
Tais reações de fusão têm sido observadas em laboratório há décadas em quantidades relativamente pequenas. No entanto, o grande desafio é criar mais energia de fusão de saída dessas reações do que a energia de entrada necessária para iniciá-las.
FuZE é o dispositivo mais simples, menor e de menor custo que atingiu temperaturas de elétrons de fusão superiores a 30 milhões de graus, oferecendo o potencial para um sistema de energia de fusão mais prático e econômico do que outras abordagens. Crédito: Zap Energia
A tecnologia da Zap Energy é baseada em um esquema simples de confinamento de plasma conhecido como pitada Z, onde grandes correntes elétricas são canalizadas através de um fino filamento de plasma. O plasma condutor gera seus próprios campos eletromagnéticos, que o aquecem e comprimem. Embora a fusão Z-pinch tenha sido experimentada desde a década de 1950, a abordagem foi amplamente frustrada pela curta duração de seus plasmas, um problema que Zap resolveu aplicando um fluxo dinâmico através do plasma, um processo chamado estabilização de fluxo cisalhado.
“A dinâmica é um maravilhoso ato de equilíbrio da física do plasma”, explica Levitt. “À medida que subimos para correntes de plasma cada vez mais altas, otimizamos o ponto ideal onde a temperatura, a densidade e a vida útil do aperto Z se alinham para formar um plasma de fusão estável e de alto desempenho.”
Uma pitada saudável
Os pesquisadores de fusão medem as temperaturas do plasma em unidades de elétron-volts e podem medir a temperatura dos íons (núcleos) e dos elétrons do plasma separadamente. Como os íons são mil vezes mais pesados que os elétrons, os dois componentes do plasma podem aquecer e resfriar em taxas diferentes. Como os íons são o que precisa ser aquecido até as temperaturas de fusão, os físicos de plasma muitas vezes se preocupam com situações em que os elétrons frios limitam o aquecimento dos íons, como cubos de gelo em uma sopa quente. Os elétrons no plasma FuZE, entretanto, mostraram-se tão quentes quanto os íons, indicando que o plasma está em um equilíbrio térmico saudável.
Além disso, as medições detalhadas de Zap mostram que as temperaturas dos elétrons e a produção de nêutrons de fusão atingem o pico simultaneamente. Como os nêutrons são um produto primário dos íons em fusão, essas observações apoiam a ideia de um plasma em fusão em equilíbrio térmico.
“Os resultados deste artigo e outros testes que fizemos desde então pintam um bom quadro geral de um plasma de fusão com espaço para escalar em direção ao ganho de energia”, diz Uri Shumlak, cofundador e cientista-chefe da Zap Energy. “Trabalhando em correntes mais altas, ainda estamos vendo o fluxo cisalhado estendendo a vida útil do Z-pinch por tempo suficiente para produzir temperaturas muito altas e os rendimentos de nêutrons associados que previríamos a partir da modelagem.”
Medidas padrão ouro
As temperaturas relatadas no artigo foram medidas por uma equipe de colaboradores externos do LLNL e UCSD especializados em uma técnica de medição de plasma chamada espalhamento Thomson. Para realizar o espalhamento Thomson, os cientistas usam um laser muito brilhante e muito rápido para disparar um pulso de luz verde no plasma, que se espalha pelos elétrons e fornece informações sobre sua temperatura e densidade.
“Estamos especialmente gratos à equipe de colaboração pelo trabalho realizado para ajudar a reunir esses dados e refinar uma técnica de medição crítica para nós”, observa Levitt. Informado pelas medições desta colaboração em centenas de plasmas, o Zap agora reúne rotineiramente dados de espalhamento Thomson no FuZE-Q, seu dispositivo de última geração.
Sem ímãs externos, compressão ou aquecimento
Ao contrário das duas principais abordagens de fusão que têm sido o foco da maioria das pesquisas sobre fusão nas últimas décadas, a tecnologia da Zap não requer ímãs supercondutores caros e complexos ou lasers poderosos. “A tecnologia Zap é muito mais barata e mais rápida de construir do que outros dispositivos, o que nos permite iterar rapidamente e produzir os nêutrons de fusão térmica mais baratos que existem. Uma economia de inovação convincente é vital para o lançamento de um produto comercial de fusão em uma escala de tempo importante”, disse Benj Conway, CEO e cofundador da Zap.
Em 2022, ao mesmo tempo em que foram coletados esses resultados do FuZE, Zap encomendou seu dispositivo de próxima geração FuZE-Q. Embora os primeiros resultados do FuZE-Q ainda estejam disponíveis, o dispositivo possui um banco de potência com dez vezes a energia armazenada do FuZE e capacidade de escalar para temperaturas e densidades muito mais altas. Entretanto, também está em curso o desenvolvimento paralelo de sistemas de centrais eléctricas.
“Começamos o Zap sabendo que tínhamos uma tecnologia única e fora do status quo, portanto, cruzar definitivamente essa marca de alta temperatura eletrônica e ver esses resultados em uma importante revista de física é uma validação importante”, diz Conway. “Certamente temos grandes desafios pela frente, mas temos todos os ingredientes para resolvê-los.”
Referência: “Temperatura elevada de elétrons coincidente com reações de fusão observadas em uma pitada 𝑍 estabilizada por fluxo cisalhado” por B. Levitt et al., 8 de abril de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.155101
O estudo foi financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada – Energia.
