Para uma máquina projetada para replicar uma estrela, a mais nova do mundoestelaradoré um aparelho de aparência surpreendentemente humilde. A engenhoca do tamanho de uma mesa de cozinha fica em cima de pilhas de tijolos em uma sala de blocos de concreto no Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) em Princeton, NJ, com suas peças etiquetadas à mão com marcador.
A equipe do PPPL inventou este reator de fusão nuclear, concluído no ano passado, usando principalmente componentes prontos para uso. Seu núcleo é uma câmara de vácuo de vidro cercada por uma concha de nylon impressa em 3D que ancora 9.920 ímãs permanentes de terras raras meticulosamente colocados. Dezesseis eletroímãs de bobina de cobre que lembram fatias gigantes de abacaxi envolvem a concha transversalmente.
O arranjo de ímãs forma a característica definidora de um stellarator: um campo magnético inteiramente externo que direciona partículas carregadas ao longo de um caminho espiral para confinar um plasma superaquecido. Dentro deste enigmático quarto estado da matéria, átomos que foram despojados de seus elétrons colidem, seus núcleos se fundindo e liberando energia no mesmo processo que alimenta o sol e outras estrelas. Os pesquisadores esperam capturar essa energia e usá-la para produzir eletricidade limpa e com zero carbono.
O Nascimento do Stellarator
O novo reator da PPPL é o primeiro stellarator construído neste laboratório do governo em 50 anos. É também o primeiro stellarator do mundo a empregar ímãs permanentes, em vez de apenas eletroímãs, para coaxar o plasma em uma forma tridimensional ideal. Custando apenas US$ 640.000 e construído em menos de um ano, o dispositivo contrasta com stellarators proeminentes como o Wendelstein 7-X da Alemanha, uma máquina enorme e com tentáculos que levou US$ 1,1 bilhão e mais de 20 anos para ser construída.
O stellarator do PPPL foi inspirado pela invenção original de Lyman Spitzer, o fundador do laboratório, que teve a ideia em 1951 enquanto andava de teleférico em Aspen Mountain. Spitzer determinou que um design em forma de oito com ímãs externos poderia criar linhas de campo magnético helicoidais que espiralariam ao redor do plasma e controlariam e conteriam as partículas energéticas de forma mais eficiente.
Tokamaks vs. Stellarators
Apesar da brilhante ideia de Spitzer, a falta de simetria toroidal do stellarator tornou sua construção desafiadora na época. Enquanto isso, os físicos na União Soviética estavam testando uma nova configuração para fusão nuclear confinada magneticamente: um dispositivo em forma de donut chamado tokamak. Os tokamaks pareciam ser capazes de produzir plasmas mais quentes e densos do que aqueles produzidos por stellarators, e sua geometria mais simples os tornava muito mais fáceis de construir.
Seguindo o exemplo dos programas de fusão de outras nações, o DOE transferiu a maior parte de seus recursos de fusão para a pesquisa de tokamak. O PPPL converteu o stellarator Modelo C do Spitzer em um tokamak em 1969. Desde então, os tokamaks dominaram a pesquisa de energia de fusão.
O Poder Computacional Revive o Stellarator
Mas, no final dos anos 1980, as limitações da abordagem tokamak estavam se tornando mais aparentes. Para forçar o plasma inquieto à submissão, os tokamaks geometricamente simples precisam de recursos adicionais que aumentam sua complexidade e custo.
Com os tokamaks devorando a maior parte dos fundos públicos de energia de fusão do mundo, a pesquisa do stellarator ficou praticamente adormecida até a década de 1980. Então, alguns teóricos começaram a colocar computadores cada vez mais poderosos para trabalhar para ajudá-los a otimizar o posicionamento de bobinas magnéticas para moldar os campos magnéticos com mais precisão.
Novos insights, como as coordenadas de Boozer inventadas por Allen Boozer, deram origem a projetos de stellarator muito mais complexos do que qualquer coisa que Spitzer poderia ter imaginado. Dispositivos como o Large Helical Device do Japão, o Helically Symmetric Experiment da Universidade de Wisconsin e o Wendelstein 7-X da Alemanha demonstraram o potencial dos stellarators.
O Fracasso do NCSX Leva a um Novo Design
No final da década de 1990, os físicos e engenheiros do PPPL começaram a projetar sua própria versão, chamada National Compact Stellarator Experiment (NCSX). Apesar de ser concebido como o stellarator mais avançado do mundo, o NCSX foi cancelado em 2008, com o projeto dezenas de milhões de dólares acima do orçamento e anos atrasado.
Mas as lições aprendidas com o NCSX ajudaram a moldar o caminho a seguir. Os pesquisadores concluíram que, para ter sucesso, precisavam construir um dispositivo mais barato e confiável, que permitisse fácil manutenção e reconfiguração.
O Muse: Um Banco de Testes para Energia de Fusão
Isso levou à criação do Muse, um stellarator pioneiro que usa ímãs permanentes, em vez de eletroímãs, para criar seu campo helicoidal. Mesmo os ímãs permanentes mais fortes não seriam capazes de confinar plasma de forma robusta o suficiente para produzir energia de fusão em escala comercial, mas eles poderiam ser usados para criar um dispositivo experimental de menor custo que seria mais fácil de construir e manter.
O Muse foi projetado como um banco de testes para configurações magnéticas inovadoras e modelos teóricos aprimorados, permitindo que os pesquisadores ajustem e testem facilmente campos magnéticos que poderiam informar o caminho para um dispositivo produtor de energia.
Startups Avançam Conceitos Stellarator
Agora que o Muse demonstrou que os stellarators podem ser feitos de forma rápida, barata e altamente precisa, empresas fundadas por pesquisadores atuais e antigos do PPPL estão avançando com designs inspirados no Muse.
A Stellarex, cofundada por Michael Zarnstorff, está explorando diferentes combinações de ímãs permanentes e supercondutores. A Thea Energy, liderada por David Gates, está projetando um conceito de usina de energia com bobinas eletromagnéticas planas construídas com supercondutores de alta temperatura.
Já a Type One Energy, a startup de stellarator mais bem financiada, está utilizando a computação em exaescala do supercomputador Summit para otimizar a configuração do campo magnético de seu design altamente otimizado. A empresa planeja construir "o stellarator mais avançado do mundo" na Tennessee.
O Caminho à Frente
Avanços no poder computacional e na inteligência artificial já estão levando a ciclos de design mais rápidos, maior estabilidade de plasma e melhores designs de reatores. No entanto, os maiores obstáculos restantes para os stellarators, e a fusão por confinamento magnético em geral, envolvem desafios de engenharia, como desenvolver materiais que podem suportar condições extremas e integrar todos os componentes em um reator funcional e escalável.
A busca dos pesquisadores do PPPL exigirá muito trabalho duro e, provavelmente, um pouco de sorte. Mas com o otimismo crescente na PPPL e o avanço das startups inspiradas no Muse, o caminho para a energia de fusão sustentável parece estar cada vez mais próximo.
