Desmistificando anéis de vórtice em fusão nuclear, supernovas

Entender melhor a formação de turbilhões em forma de anel - conhecidos como anéis de vórtice - pode ajudar os pesquisadores de fusão nuclear a comprimir o combustível com mais eficiência, aproximando-o de se tornar uma fonte de energia viável.

O modelo desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Michigan (UM) poderia ajudar no projeto da cápsula de combustível, minimizando a energia perdida ao tentar iniciar a reação que faz as estrelas brilharem. Além disso, o modelo pode ajudar outros engenheiros que devem gerenciar a mistura de fluidos após a passagem de uma onda de choque, como os que projetam motores a jato supersônicos, bem como os físicos que tentam entender as supernovas.

"Esses anéis de vórtice se movem para fora da estrela em colapso, povoando o universo com os materiais que eventualmente se tornarão nebulosas, planetas e até novas estrelas - e para dentro durante as implosões de fusão, interrompendo a estabilidade do combustível de fusão em chamas e reduzindo a eficiência do reação", disse Michael Wadas, candidato a doutorado em engenharia mecânica na UM e autor correspondente do estudo.

“Nossa pesquisa, que elucida como esses anéis de vórtice se formam, pode ajudar os cientistas a entender alguns dos eventos mais extremos do universo e trazer a humanidade um passo mais perto de capturar o poder da fusão nuclear como fonte de energia”, disse ele.

A fusão nuclear une os átomos até que eles se fundam. Esse processo libera várias vezes mais energia do que a quebra de átomos, ou fissão, que alimenta as usinas nucleares de hoje. Os pesquisadores podem criar essa reação, fundindo formas de hidrogênio em hélio, mas, atualmente, grande parte da energia usada no processo é desperdiçada.

Parte do problema é que o combustível não pode ser bem comprimido. As instabilidades causam a formação de jatos que penetram no ponto quente e o combustível jorra entre eles - Wadas comparou isso a tentar espremer uma laranja com as mãos, como o suco vazaria entre os dedos.

Os anéis de vórtice que se formam na ponta desses jatos, mostraram os pesquisadores, são matematicamente semelhantes aos anéis de fumaça, os redemoinhos atrás das águas-vivas e os anéis de plasma que saem da superfície de uma supernova.

Talvez a abordagem mais famosa da fusão seja uma matriz esférica de lasers, todos apontando para uma cápsula esférica de combustível. É assim que os experimentos são realizados na National Ignition Facility, que repetidamente quebrou recordes de produção de energia nos últimos anos.

A energia dos lasers vaporiza a camada de material ao redor do combustível - uma casca de diamante quase perfeita, cultivada em laboratório, no último recorde em dezembro de 2022. Quando essa casca vaporiza, ela impulsiona o combustível para dentro enquanto os átomos de carbono voam para fora . Isso gera uma onda de choque, que empurra o combustível com tanta força que o hidrogênio se funde.

Embora os pellets de combustível esféricos sejam alguns dos objetos redondos mais perfeitos que os humanos já fizeram, cada um tem uma falha deliberada: um tubo de enchimento, por onde o combustível entra. Como um canudo preso naquela laranja esmagada, este é o local mais provável para a formação de um jato liderado por um anel de vórtice quando a compressão começa, explicaram os pesquisadores.

"Os experimentos de fusão acontecem tão rápido que só precisamos atrasar a formação do jato por alguns nanossegundos", disse Eric Johnsen, professor associado de engenharia mecânica da UM, que supervisionou o estudo.

O estudo reuniu a experiência em mecânica de fluidos de Wadas e Johnsen, bem como o conhecimento de física nuclear e de plasma no laboratório de Carolyn Kuranz, professora associada de engenharia nuclear e ciências radiológicas.

"Na física de alta densidade de energia, muitos estudos apontam essas estruturas, mas não as identificam claramente como anéis de vórtices", disse Wadas.

Conhecendo o profundo corpo de pesquisa sobre as estruturas vistas em experimentos de fusão e observações astrofísicas, Wadas e Johnsen foram capazes de aproveitar e estender esse conhecimento existente, em vez de tentar descrevê-los como recursos completamente novos.