Plasma Power

Os objectos do dia-a-dia podem ser classificados em sólidos, líquidos e gases. Entretanto, a matéria em um relâmpago, uma chama e a Aurora Boreal são algo bem diferente. Cada um deles é um plasma, um gás ionizado. Num plasma os elétrons são arrancados dos átomos para produzir íons que se movimentam livremente. Como iões e electrões são carregados, eles respondem a forças eléctricas e magnéticas e interagem entre si através destas forças também.

Além da Terra, os plasmas são certamente abundantes. Cerca de 99% do universo visível é plasma, incluindo a maior parte da matéria nas estrelas e na região do espaço ao redor da Terra. Este plasma perto da Terra é controlado pelo campo magnético da Terra, ou magnetosfera, Este escudo magnético é particularmente importante, pois ajuda a isolar a Terra do vento solar, o fluxo de prótons e elétrons que flui para o espaço a partir do sol.

O interior de uma estrela é um plasma extremamente quente e denso. Os núcleos de hidrogénio neste plasma alimentam os processos de fusão estelares que fornecem a energia da estrela. Aproveitando este mesmo processo aqui na Terra, iríamos satisfazer as nossas necessidades energéticas indefinidamente. As matérias-primas, dois isótopos de hidrogênio, estão prontamente disponíveis, e o subproduto, o hélio, é um gás inerte. O grande desafio é sustentar aqui na Terra as altas temperaturas encontradas nos centros das estrelas. Ainda não chegamos lá, mas os pesquisadores de fusão têm feito progressos constantes nas últimas décadas.

Plasma Power: Fusion Power

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Como as demandas de energia das sociedades industrializadas aumentam, e os limites e riscos das fontes convencionais de energia se tornam claros, a energia de fusão é uma alternativa cada vez mais atraente. Contudo, após quatro décadas de pesquisa, um reator de fusão em funcionamento ainda está a pelo menos décadas de distância.

Fusão é difícil de sustentar no laboratório. Como os núcleos de hidrogênio são partículas carregadas, eles experimentam uma forte repulsão eletrostática, que aumenta rapidamente à medida que os núcleos se aproximam uns dos outros. Para que a fusão ocorra, os núcleos devem atingir uns aos outros em alta velocidade, o que requer uma temperatura de 100 milhões de graus. A esta temperatura, qualquer contato com o recipiente vaporizá-lo-ia, portanto os núcleos, que fazem parte de um plasma, devem estar de alguma forma confinados.

Uma abordagem é aplicar fortes campos magnéticos para manter as partículas carregadas do plasma fora das paredes do recipiente. Os recipientes mais comuns têm a forma de donuts para fornecer espaço para as partículas de plasma, electrões e núcleos de hidrogénio, circularem. Uma corrente elétrica induzida no plasma cria um campo magnético que ajuda a confinar o plasma.

Plasma Power: Plasma Machines

A primeira foto mostra o Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), um grande dispositivo de fusão operado no Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) durante os anos 80 e 90. O interior do TFTR tinha a forma de um donut (um toro). Movendo-se em um caminho circular ao redor do centro do toro, o plasma atingiu temperaturas de mais de 500 milhões de graus, bem além dos 100 milhões necessários para a fusão prática. Idealmente, os reatores de fusão comerciais irão operar continuamente, mas o TFTR foi projetado para operar apenas em rajadas. Em uma dessas explosões, sua potência excedeu 10 milhões de watts, o suficiente para alimentar mais de 3.000 lares.

Foto cortesia do Laboratório de Física de Plasma de Princeton

Com o programa de pesquisa do TFTR completo, os físicos e engenheiros do PPPL construíram um dispositivo esférico menor, quase esférico, o National Spherical Torus Experiment, (NSTX), mostrado na segunda foto. Os teóricos acreditam que a geometria do toro esférico facilitará o confinamento do plasma e eventualmente fornecerá um método mais eficiente de sustentação de reações de fusão.

Foto cortesia do Laboratório de Física do Plasma de Princeton

Links

Princeton Laboratório de Física dos Plasmas

• Experiência Interactiva de Física dos Plasmas (IPPEX)
• Fusão básica
• Fusão gráfica
• Recursos de Fusão para estudantes e professores

Plasmas International

• Imagens de plasmas

NASA

• A Exploração da Magnetosfera da Terra

Atmosfera solar vista pelo telescópio de imagem ultravioleta extremo