Projeto do MIT alcança grande avanço em direção à energia de fusão

O novo ímã supercondutor quebra os recordes de força do campo magnético, abrindo caminho para energia prática, comercial e sem carbono.


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Foi um momento de três anos em construção, com base em pesquisa intensiva e trabalho de design: em 5 de setembro, pela primeira vez, um grande eletroímã supercondutor de alta temperatura foi aumentado para uma força de campo de 20 tesla, o mais poderoso campo magnético desse tipo já criado na Terra. Essa demonstração bem-sucedida ajuda a resolver a maior incerteza na busca pela construção da primeira usina de fusão do mundo que pode produzir mais energia do que consome, de acordo com os líderes do projeto no MIT e na startup Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Esse avanço abre o caminho, dizem eles, para a tão procurada criação de usinas de energia práticas, baratas e livres de carbono que poderiam dar uma grande contribuição para limitar os efeitos da mudança climática global.

“A fusão de várias maneiras é a melhor fonte de energia limpa”, diz Maria Zuber, vice-presidente de pesquisa do MIT e professora de geofísica da EA Griswold. “A quantidade de energia disponível realmente muda o jogo.” O combustível usado para criar a energia de fusão vem da água, e “a Terra está cheia de água - é um recurso quase ilimitado. Só temos que descobrir como utilizá-lo”.

O desenvolvimento do novo ímã é visto como o maior obstáculo tecnológico para que isso aconteça; sua operação bem-sucedida agora abre a porta para a demonstração da fusão em um laboratório na Terra, que tem sido perseguido por décadas com progresso limitado. Com a tecnologia magnética agora demonstrada com sucesso, a colaboração MIT-CFS está no caminho certo para construir o primeiro dispositivo de fusão do mundo que pode criar e confinar um plasma que produz mais energia do que consome. Esse dispositivo de demonstração, denominado SPARC, deve ser concluído em 2025.

“Os desafios de fazer a fusão acontecer são técnicos e científicos”, diz Dennis Whyte, diretor do Plasma Science and Fusion Center do MIT, que está trabalhando com a CFS para desenvolver SPARC. Mas uma vez que a tecnologia seja comprovada, ele diz, “é uma fonte de energia inesgotável e livre de carbono que você pode implantar em qualquer lugar e a qualquer hora. É realmente uma fonte de energia fundamentalmente nova”.


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Whyte, que é o professor de engenharia da Hitachi America, diz que a demonstração desta semana representa um marco importante, abordando as maiores questões remanescentes sobre a viabilidade do projeto SPARC. “É realmente um divisor de águas, acredito, na fusão ciência e tecnologia”, diz ele.

O sol em uma garrafa

A fusão é o processo que alimenta o sol: a fusão de dois pequenos átomos para formar um maior, liberando quantidades prodigiosas de energia. Mas o processo requer temperaturas muito além do que qualquer material sólido poderia suportar. Para capturar a fonte de energia do sol aqui na Terra, o que é necessário é uma forma de capturar e conter algo tão quente - 100 milhões de graus ou mais - suspendendo-o de uma forma que evite que entre em contato com qualquer coisa sólida.

Isso é feito por meio de campos magnéticos intensos, que formam uma espécie de garrafa invisível para conter a sopa quente rodopiante de prótons e elétrons, chamada plasma. Como as partículas têm carga elétrica, elas são fortemente controladas pelos campos magnéticos, e a configuração mais usada para contê-las é um dispositivo em forma de donut chamado tokamak. A maioria desses dispositivos produziu seus campos magnéticos usando eletroímãs convencionais de cobre, mas a versão mais recente e maior em construção na França, chamada ITER, usa o que é conhecido como supercondutores de baixa temperatura.

A principal inovação no projeto de fusão MIT-CFS é o uso de supercondutores de alta temperatura, que permitem um campo magnético muito mais forte em um espaço menor. Esse projeto foi possibilitado por um novo tipo de material supercondutor que se tornou comercialmente disponível há alguns anos. A ideia surgiu inicialmente como um projeto de aula em uma aula de engenharia nuclear ministrada por Whyte. A ideia parecia tão promissora que continuou a ser desenvolvida nas próximas iterações dessa classe, levando ao conceito de projeto de usina ARC no início de 2015.

SPARC, projetado para ter cerca de metade do tamanho do ARC, é um teste para provar o conceito antes da construção da usina de produção de energia em tamanho real.

Até agora, a única maneira de atingir os campos magnéticos colossalmente poderosos necessários para criar uma “garrafa” magnética capaz de conter plasma aquecido a centenas de milhões de graus era torná-los cada vez maiores. Mas o novo material supercondutor de alta temperatura, feito na forma de uma fita plana, torna possível atingir um campo magnético maior em um dispositivo menor, igualando o desempenho que seria alcançado em um aparelho 40 vezes maior em volume, usando ímãs supercondutores convencionais de baixa temperatura. Esse salto em potência versus tamanho é o elemento-chave no design revolucionário da ARC.

O uso dos novos ímãs supercondutores de alta temperatura torna possível aplicar décadas de conhecimento experimental adquirido com a operação de experimentos de tokamak, incluindo a própria série Alcator do MIT. A nova abordagem, liderada por Zach Hartwig, o pesquisador principal do MIT e o Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira de Ciências Nucleares e Engenharia, Robert N. Noyce, usa um design bem conhecido, mas reduz tudo para cerca de metade do tamanho linear e ainda atinge as mesmas condições operacionais por causa do campo magnético mais alto.

Uma série de artigos científicos publicados no ano passado delineou a base física e, por simulação, confirmou a viabilidade do novo dispositivo de fusão. Os artigos mostraram que, se os ímãs funcionassem conforme o esperado, todo o sistema de fusão deveria de fato produzir potência líquida, pela primeira vez em décadas de pesquisas sobre fusão.

Essa combinação de princípios de design cientificamente estabelecidos e força do campo magnético revolucionário é o que torna possível alcançar uma planta que poderia ser economicamente viável e desenvolvida em um caminho rápido.

Prova de conceito

Trazer esse novo conceito de ímã para a realidade exigiu três anos de trabalho intensivo em design, estabelecimento de cadeias de suprimentos e elaboração de métodos de fabricação para ímãs que podem eventualmente precisar ser produzidos aos milhares.

“Construímos um ímã supercondutor inédito. Foi necessário muito trabalho para criar processos e equipamentos de fabricação exclusivos. Como resultado, agora estamos bem preparados para acelerar a produção SPARC”, disse Joy Dunn, chefe de operações da CFS.

“Começamos com um modelo físico e um design CAD e trabalhamos em muitos desenvolvimentos e protótipos para transformar um design no papel neste ímã físico real”. Isso envolveu a construção de recursos de manufatura e instalações de teste, incluindo um processo iterativo com vários fornecedores de fita supercondutora, para ajudá-los a alcançar a capacidade de produzir material que atendesse às especificações necessárias - e para o qual a CFS é agora esmagadoramente o maior usuário do mundo.

Eles trabalharam com dois designs de ímã possíveis em paralelo, os quais acabaram atendendo aos requisitos de design, diz ela. “Na verdade, decidimos qual revolucionaria a maneira como fazemos ímãs supercondutores e qual seria mais fácil de construir.” O design que eles adotaram claramente se destacou a esse respeito, diz ela.

Neste teste, o novo ímã foi gradualmente ligado em uma série de etapas até atingir a meta de um campo magnético de 20 tesla - a maior intensidade de campo de todos os tempos para um ímã de fusão supercondutor de alta temperatura. O ímã é composto de 16 placas empilhadas, cada uma das quais, por si só, seria o ímã supercondutor de alta temperatura mais poderoso do mundo.

“Três anos atrás, anunciamos um plano”, diz Mumgaard, “para construir um ímã de 20 tesla, que é o que precisaremos para futuras máquinas de fusão.” Essa meta agora foi alcançada, dentro do prazo, mesmo com a pandemia, diz ele.

Citando a série de artigos de física publicados no ano passado, Brandon Sorbom, o diretor de ciências da CFS, diz “basicamente os artigos concluem que, se construirmos o ímã, toda a física funcionará em SPARC. Portanto, esta demonstração responde à pergunta: eles podem construir o ímã? É um momento muito emocionante! É um grande marco”.

A próxima etapa será construir SPARC, uma versão em escala menor da planejada usina ARC. A operação bem-sucedida do SPARC demonstrará que uma usina de fusão comercial em grande escala é prática, abrindo caminho para um projeto e construção rápido de que o dispositivo pioneiro pode então prosseguir em velocidade máxima.

Zuber diz que “agora estou genuinamente otimista de que SPARC pode alcançar energia positiva líquida, com base no desempenho demonstrado dos ímãs. A próxima etapa é aumentar a escala, construir uma usina de energia real. Ainda há muitos desafios pela frente, e o menos importante deles é desenvolver um projeto que permita uma operação confiável e sustentada. E percebendo que o objetivo aqui é a comercialização, outro grande desafio será econômico. Como você projeta essas usinas de energia para que seja econômico construí-las e implantá-las?”

Algum dia em um futuro esperado, quando pode haver milhares de usinas de fusão alimentando redes elétricas limpas em todo o mundo, Zuber diz: “Acho que vamos olhar para trás e pensar sobre como chegamos lá, e acho que a demonstração da tecnologia do ímã, para mim, é o momento em que acreditei que, uau, podemos realmente fazer isso. ”

A criação bem-sucedida de um dispositivo de fusão para produção de energia seria uma grande conquista científica, observa Zuber. Mas esse não é o ponto principal. “Nenhum de nós está tentando ganhar troféus neste momento. Estamos tentando manter o planeta habitável”.

*Texto original MIT News Office.




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