Cientistas da UC Davis e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley descobriram que os materiais circundantes podem aumentar drasticamente a frequência com que a fusão nuclear ocorre em baixas energias. O estudo abre uma área de pesquisa inteiramente nova chamada fusão dirigida por materiais.
“Em vez de projetar materiais apenas para sobreviver às duras condições de fusão, os pesquisadores poderão ser capazes de projetar materiais que impulsionem a reação em condições específicas, semelhante à forma como os catalisadores aceleram os processos químicos”, disse a equipe em um comunicado à imprensa.
Para testar como os materiais hospedeiros afectam a fusão, a equipa embalou deutério – uma forma pesada de hidrogénio – em finas folhas metálicas feitas de titânio e paládio. Eles usaram duas técnicas diferentes para carregar o deutério nos metais. Em seguida, eles dispararam um feixe de íons de deutério diretamente nas folhas carregadas em uma variedade de níveis de energia e mediram a frequência com que a fusão acontecia em comparação com reações em espaço aberto sem qualquer metal circundante.
A teoria física padrão prevê que as taxas de fusão caem drasticamente quando as energias de colisão caem abaixo de 2,5 quiloelétron-volts (keV). No entanto, as medições da equipa mostraram um resultado inesperado: a estas energias mais baixas, a taxa de fusão estabilizou-se num patamar. Em certas amostras de metal, a fusão ocorreu cerca de um quintilhão de vezes – um 1 seguido de 18 zeros – com mais frequência do que em reações sem material hospedeiro.
Grande salto nas taxas de reação
Este grande salto nas taxas de reação se resume à estrutura subatômica dos metais hospedeiros. Os elétrons dentro do metal, juntamente com pequenos defeitos na estrutura da folha, agem como um escudo ao redor dos núcleos de deutério carregados positivamente.
“Os elétrons e defeitos dentro do material podem proteger parcialmente as forças eletrostáticas repulsivas entre os núcleos de deutério, tornando mais fácil para eles se aproximarem e se fundirem”, explicaram os pesquisadores.
Ao ajustar a estrutura interna de um material, o comportamento dos elétrons e a mistura geral, os pesquisadores podem influenciar a facilidade com que essas reações nucleares ocorrem. Além de gerar energia, o controle da fusão de baixa energia produz partículas subatômicas chamadas nêutrons.
“Se entendermos melhor esse efeito, ele abrirá a porta para a engenharia de novos materiais que afetariam a taxa de fusão sob certas condições”, concluído Arun Persaud, chefe do grupo Fusion Science & Ion Beam Technology na Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab.
“Algum dia, o progresso futuro poderá permitir geradores de nêutrons mais compactos e eficientes, que tenham todos os tipos de aplicações, como triagem de carga, ciência planetária e terapia médica e imagens.”
Unindo fusão com modelagem preditiva
O trabalho da equipe estabelece uma maneira confiável e repetível de testar como os metais sólidos afetam as interações nucleares, criando uma nova ligação entre a ciência da fusão, a ciência dos materiais e a química.
Esta descoberta está ligada ao trabalho que está sendo realizado no Laboratório Nacional Ames para entender melhor como os materiais lidam com as operações nucleares. Os cientistas estão atualmente a expandir uma ferramenta de inteligência artificial chamada DuctGPT para melhorar as previsões sobre como os materiais se comportam dentro de sistemas de energia de fusão ativa.
A operação de um sistema de fusão sujeita as peças vizinhas a condições operacionais adversas, incluindo calor intenso, radiação e estresse mecânico. Ao adicionar novos dados e modelos ao DuctGPT, os pesquisadores podem prever melhor como diferentes materiais resistem a essas forças extremas ao longo do tempo.
