Una sfida alla creazione di energia di fusione sulla Terra è intrappolare il gas carico noto come plasma che alimenta le reazioni di fusione all'interno di un forte campo magnetico e mantenere il plasma il più caldo e denso possibile il più a lungo possibile. Ora, gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno acquisito nuove informazioni su un tipo comune di singhiozzo noto come instabilità a dente di sega che raffredda il plasma caldo al centro e interferisce con le reazioni di fusione. Questi risultati potrebbero aiutare ad avvicinare l'energia da fusione alla realtà.

"I modelli convenzionali spiegano la maggior parte dei casi di crash a dente di sega, ma c'è un tenace sottoinsieme di osservazioni che non siamo mai stati in grado di spiegare, " ha detto il fisico PPPL Christopher Smiet, autore principale di un articolo che riporta i risultati in Fusione nucleare . "Spiegare questi eventi insoliti colmerebbe una lacuna nella comprensione del fenomeno del dente di sega che esiste da quasi 40 anni".

Fusion combina elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici e nel processo genera enormi quantità di energia nel sole e nelle stelle. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione in dispositivi sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità.

I ricercatori sanno da decenni che la temperatura al centro del plasma di fusione spesso aumenta lentamente e può poi scendere improvvisamente, un evento indesiderato poiché la temperatura più fredda riduce l'efficienza. La teoria prevalente è che l'incidente si verifica quando una quantità chiamata fattore di sicurezza, che misura la stabilità del plasma, scende a una misura vicina a 1. Il fattore di sicurezza si riferisce a quanta torsione c'è nel campo magnetico negli impianti di fusione tokamak a forma di ciambella.

Però, alcune osservazioni suggeriscono che il crollo della temperatura si verifica quando il fattore di sicurezza scende a circa 0,7. Questo è abbastanza sorprendente e non può essere spiegato dalle teorie più ampiamente accettate.

La nuova intuizione, proveniente non dalla fisica del plasma ma dalla matematica astratta, mostra che quando il fattore di sicurezza assume valori specifici, uno dei quali è vicino a 0,7, il campo magnetico nel nucleo del plasma può cambiare in una configurazione diversa chiamata iperbolica alternata. "In questa topologia, il plasma si perde nel nucleo, " dice Smiet. "Il plasma viene espulso dal centro in direzioni opposte. Questo porta a un nuovo modo per la gabbia magnetica di rompersi parzialmente, perché la temperatura nel nucleo scenda improvvisamente, e che il processo si ripeta man mano che il campo magnetico e la temperatura si riprendono lentamente".

Le nuove intuizioni suggeriscono una nuova entusiasmante direzione di ricerca verso il mantenimento di più calore all'interno del plasma e la produzione di reazioni di fusione in modo più efficiente. "Se non riusciamo a spiegare queste osservazioni anomale, allora non capiamo appieno cosa sta succedendo in queste macchine, Smiet ha detto. Contrastare l'instabilità a dente di sega può portare a produrre più caldo, plasmi più tortuosi e avvicinarci alla fusione."

Questo modello è nato da una ricerca matematica puramente astratta. Smiet ha trovato un modo matematico per descrivere il campo magnetico al centro di un tokamak. Tutte le possibili configurazioni possono quindi essere associate ad una struttura algebrica chiamata gruppo di Lie. "La matematica è davvero molto bella, " Dice Smiet. "Questo gruppo matematico ti offre una visione a volo d'uccello di tutte le possibili configurazioni magnetiche e quando una configurazione può trasformarsi in un'altra".

Il nuovo modello mostra che una delle volte in cui la configurazione magnetica in un tokamak può cambiare è quando il fattore di sicurezza scende esattamente a due terzi, o 0,666. "Questo è stranamente vicino al valore di 0,7 che è stato visto negli esperimenti, in particolare quando si tiene conto dell'incertezza sperimentale, " ha detto Smiet. "Una delle parti più belle di questi risultati, " Egli ha detto, "è che sono venuti dal semplice pasticciare con la matematica pura."

Smiet spera di verificare il nuovo modello eseguendo esperimenti su un tokamak. "La matematica ci ha mostrato cosa cercare, " Egli ha detto, "quindi ora dovremmo essere in grado di vederlo."