Lasers aceleram magnetização de plasmas para fusão nuclear

Um grupo de cientistas descobriu um mecanismo pelo qual os plasmas — uma fase avançada da matéria utilizada em tecnologias de fusão nuclear — conseguem gerar, de maneira espontânea, seus próprios campos magnéticos.

Essa descoberta foi possível através de simulações computacionais inovadoras. Os achados contribuem para uma melhor compreensão dos plasmas que existem naturalmente no cosmos e promovem o avanço de sistemas de fusão inercial baseados em laser.

Nos sistemas de fusão inercial, utiliza-se feixes de laser extremamente potentes para comprimir uma cápsula minúscula de combustível até que ocorra a fusão nuclear. A presença de campos magnéticos inesperados pode impactar o fluxo térmico dentro do plasma, criando dinâmicas que as simulações tradicionais não conseguem prever.

Para o desenvolvimento de sistemas capazes de gerar energia líquida a longo prazo, a precisão das simulações é fundamental. Em experimentos laboratoriais, observou-se que lasers de alta potência podem vaporizar rapidamente um alvo sólido, convertendo-o em plasma em expansão acelerada.

A pesquisa identificou repetidamente a formação de intensas estruturas magnéticas que surgem desse plasma, embora a origem exata desses campos tenha sido um assunto controverso por um período prolongado. As novas simulações ofereceram insights sobre como esses campos magnéticos se formam.

A equipe analisou o comportamento do plasma quando um laser potente atingiu um alvo feito de alumínio. Ao atingir um certo nível de intensidade, o plasma se auto-magnetizou em apenas um bilionésimo de segundo, produzindo campos magnéticos que podem alcançar até 40 tesla — cerca de 1 milhão de vezes mais forte que o campo magnético terrestre.

Esse fenômeno é resultado da interação entre dois processos concorrentes. À medida que o plasma aquecido se expande, tem sua temperatura reduzida mais rapidamente na direção da expansão do que nas outras direções, gerando um desequilíbrio térmico que ativa a instabilidade conhecida como Weibel, responsável pela criação dos campos magnéticos.

Entretanto, colisões entre partículas podem reequilibrar o plasma. Em intensidades mais elevadas do laser, o desequilíbrio se torna suficiente para provocar a formação desses campos magnéticos.

Kirill Lezhnin, físico do Laboratório de Física Plasmas da Princeton (PPPL), ressaltou a originalidade dessa pesquisa ao mostrar que mesmo com lasers uniformes, o plasma pode gerar campos magnéticos simplesmente devido à sua expansão. Uma vez criados, esses campos aprisionam elétrons em órbitas circulares e limitam o fluxo térmico para fora da área atingida pelo laser.

Para tornar essa descoberta imediatamente aplicável, os pesquisadores desenvolveram um critério simples para prever quando ocorre a magnetização do plasma com base nos parâmetros do laser e do alvo utilizado. Lezhnin comentou que esse limiar ficou ligeiramente abaixo do esperado, próximo à intensidade normalmente utilizada em experimentos padrão de fusão inercial, evidenciando a relevância dos efeitos magnéticos para futuras pesquisas na área.

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