Corrientes eléctricas pueden estabilizar las reacciones de fusión

Formas desconocidas descubiertas en las corrientes eléctricas por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) pueden facilitar el control de la energía de fusión.

“Es muy importante comprender qué procesos producen corrientes eléctricas en el plasma y qué fenómenos podrían interferir con ellos”, dijo Ian Ochs, estudiante graduado del Programa de Física del Plasma de la Universidad de Princeton y autor principal de un artículo seleccionado como artículo destacado en Physics of Plasmas . “Son la herramienta principal que utilizamos para controlar el plasma en la investigación de fusión magnética”.

La fusión es el proceso que aplasta los elementos ligeros en forma de plasma, el estado caliente y cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, generando cantidades masivas de energía. Los científicos buscan replicar la fusión para obtener un suministro de energía prácticamente inagotable para generar electricidad.

Las corrientes inesperadas surgen en el plasma dentro de las instalaciones de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks. Las corrientes se desarrollan cuando un tipo particular de onda electromagnética, como las que emiten las radios y los hornos microondas, se forma espontáneamente. Estas ondas empujan algunos de los electrones que ya se mueven, “que se montan en la ola como surfistas en una tabla de surf”, dijo Ochs.

Pero las frecuencias de estas ondas son importantes. Cuando la frecuencia es alta, la onda hace que algunos electrones se muevan hacia adelante y otros hacia atrás. Los dos movimientos se cancelan entre sí y no se produce corriente.

Sin embargo, cuando la frecuencia es baja, las ondas empujan hacia adelante sobre los electrones y hacia atrás sobre los núcleos atómicos, o iones, creando una corriente eléctrica neta después de todo. Ochs descubrió que los investigadores podían crear sorprendentemente estas corrientes cuando la onda de baja frecuencia era de un tipo particular llamado “onda acústica de iones” que se asemeja a las ondas sonoras en el aire.

La importancia de este hallazgo se extiende desde la escala relativamente pequeña del laboratorio hasta la gran escala del cosmos. “Hay campos magnéticos en todo el universo en diferentes escalas, incluido el tamaño de las galaxias, y realmente no sabemos cómo llegaron allí”, dijo Ochs. “El mecanismo que descubrimos podría haber ayudado a sembrar campos magnéticos cósmicos, y cualquier mecanismo nuevo que pueda producir campos magnéticos es interesante para la comunidad astrofísica”.

Los resultados de los cálculos con lápiz y papel consisten en expresiones matemáticas que dan a los científicos la capacidad de calcular cómo se desarrollan y crecen estas corrientes, que ocurren sin que los electrones interactúen directamente. “La formulación de estas expresiones no fue sencilla”, dijo Ochs. “Tuvimos que condensar los hallazgos para que fueran lo suficientemente claros y usar expresiones simples para capturar la física clave”.

Los resultados profundizan la comprensión de un fenómeno físico básico y también fueron inesperados. Parecen contradecir la noción convencional de que los impulsores actuales requieren colisiones de electrones, dijo Ochs.

“La cuestión de si las ondas pueden impulsar cualquier corriente en el plasma es en realidad muy profunda y se refiere a las interacciones fundamentales de las ondas en el plasma”, dijo Nathaniel Fisch, coautor del artículo, profesor y director asociado del Departamento de Ciencias Astrofísicas, y director del Programa de Física del Plasma.

“Lo que Ochs dedujo de una manera magistral y didáctica, con rigor matemático, no fue solo cómo estos efectos a veces se equilibran, sino también cómo estos efectos a veces conspiran para permitir la formación de corrientes eléctricas netas”, declaró.