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A maionese continua ajudando os pesquisadores a entender melhor a física por trás da fusão nuclear.
“Ainda estamos trabalhando no mesmo problema, que é a integridade estrutural das cápsulas de fusão usadas na fusão por confinamento inercial, e a Hellmann’s Real Mayonnaise ainda está nos ajudando na busca por soluções”, diz Arindam Banerjee, professor Paul B. Reinhold de Engenharia Mecânica e Mecânica na Universidade Lehigh e presidente do departamento de MEM na Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas PC Rossin.
Em termos simples, reações de fusão são o que alimenta o sol. Se o processo pudesse ser aproveitado na Terra, os cientistas acreditam que ele poderia oferecer uma fonte de energia quase ilimitada e limpa para a humanidade. No entanto, replicar as condições extremas do sol é um desafio incrivelmente complexo. Pesquisadores de disciplinas de ciência e engenharia, incluindo Banerjee e sua equipe, estão examinando o problema de uma infinidade de perspectivas.
A fusão por confinamento inercial é um processo que inicia reações de fusão nuclear comprimindo e aquecendo rapidamente cápsulas cheias de combustível, neste caso, isótopos de hidrogênio. Quando submetidas a temperaturas e pressões extremas, essas cápsulas derretem e formam plasma, o estado carregado da matéria que pode gerar energia.
“Nesses extremos, você está falando de milhões de graus Kelvin e gigapascais de pressão enquanto tenta simular condições no sol”, diz Banerjee. “Um dos principais problemas associados a esse processo é que o estado do plasma forma essas instabilidades hidrodinâmicas, que podem reduzir o rendimento energético.”
Em seu primeiro artigo sobre o tópico em 2019, Banerjee e sua equipe examinaram esse problema, conhecido como instabilidade de Rayleigh-Taylor. A condição ocorre entre materiais de densidades diferentes quando os gradientes de densidade e pressão estão em direções opostas, criando uma estratificação instável.
“Usamos maionese porque ela se comporta como um sólido, mas quando submetida a um gradiente de pressão, ela começa a fluir”, ele diz. Usar o condimento também anula a necessidade de altas temperaturas e condições de pressão, que são extremamente difíceis de controlar.
A equipe de Banerjee usou uma instalação de roda giratória única e personalizada dentro do Laboratório de Mistura Turbulenta de Banerjee para imitar as condições de fluxo do plasma. Quando a aceleração cruzou um valor crítico, a maionese começou a fluir.
Uma das coisas que eles descobriram durante a pesquisa inicial foi que, antes que o fluxo se tornasse instável, o sólido macio, ou seja, a maionese, passava por algumas fases.
“Assim como acontece com um metal fundido tradicional, se você colocar uma tensão na maionese, ela começará a se deformar, mas se você remover a tensão, ela volta ao seu formato original”, ele diz. “Então há uma fase elástica seguida por uma fase plástica estável. A próxima fase é quando ela começa a fluir, e é aí que a instabilidade entra em ação.”
Entender essa transição entre a fase elástica e a fase plástica estável é essencial, ele diz, porque saber quando a deformação plástica começa pode dar uma dica aos pesquisadores sobre quando a instabilidade ocorreria, diz Banerjee. Então, eles procurariam controlar a condição para permanecer dentro dessa fase elástica ou plástica estável.
Em seu último artigo, publicado em Revisão Física Ea equipe (incluindo o ex-aluno de pós-graduação e primeiro autor do estudo, Aren Boyaci ’24 PhD, agora trabalhando na Rattunde AG como engenheiro de modelagem de dados em Berlim, Alemanha), analisou as propriedades do material, a geometria de perturbação (amplitude e comprimento de onda) e a taxa de aceleração dos materiais que sofrem instabilidade de Rayleigh-Taylor.
“Investigamos os critérios de transição entre as fases de instabilidade de Rayleigh-Taylor e examinamos como isso afetou o crescimento da perturbação nas fases seguintes”, diz Boyaci. “Descobrimos as condições sob as quais a recuperação elástica era possível e como ela poderia ser maximizada para atrasar ou suprimir completamente a instabilidade. Os dados experimentais que apresentamos também são as primeiras medições de recuperação na literatura.”
A descoberta é importante porque pode orientar o design das cápsulas de tal forma que elas nunca se tornem instáveis.
No entanto, há uma questão iminente sobre como os dados da equipe se encaixam no que acontece nas cápsulas de fusão reais, cujos valores de propriedade são ordens de magnitude diferentes dos sólidos moles usados em seus experimentos.
“Neste artigo, não dimensionamos nossos dados com a esperança de que o comportamento que estamos prevendo transcenda essas poucas ordens de magnitude”, diz Banerjee. “Estamos tentando aumentar a previsibilidade do que aconteceria com essas cápsulas de plasma derretidas, de alta temperatura e alta pressão com esses experimentos analógicos de usar maionese em uma roda giratória.”
Em última análise, Banerjee e sua equipe fazem parte de um esforço global para transformar a promessa da energia de fusão em realidade.
“Somos mais uma engrenagem nessa roda gigante de pesquisadores”, ele diz. “E estamos todos trabalhando para tornar a fusão inercial mais barata e, portanto, atingível.”
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