Sbloccando la danza a zig-zag del caldo, le particelle di plasma cariche che alimentano le reazioni di fusione possono aiutare a sfruttare sulla Terra l'energia di fusione che alimenta il sole e le stelle. Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, uno sperimentatore e due teorici hanno sviluppato un nuovo algoritmo, o insieme di regole del computer, per il tracciamento di particelle volatili che potrebbero anticipare l'arrivo della cassaforte, fonte di energia pulita e virtualmente illimitata.

Stretta interazione

"Questa è una storia di successo sulla stretta interazione tra teorici e sperimentali che mostra cosa si può fare, " disse Hong Qin, un fisico teorico principale al PPPL. Lui e Yichen Fu, uno studente laureato in teoria che consiglia, ha collaborato all'algoritmo con Laura Xin Zhang, uno studente laureato sperimentale e autore principale di un articolo che riporta la ricerca sulla rivista Revisione fisica E . Qin e Fu sono coautori del documento.

La fusione alimenta il sole e le stelle combinando elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni, che costituisce il 99% dell'universo visibile, per rilasciare enormi quantità di energia. Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di produrre una fusione controllata sulla Terra come fonte ideale per generare elettricità.

Il nuovo algoritmo PPPL aiuta a tracciare le particelle cariche velocemente nel plasma. Le particelle potrebbero, Per esempio, derivano dall'iniezione di fasci neutri ad alta energia che vengono scomposti, o "ionizzati" nel plasma e si scontrano con le principali particelle di plasma. "Ci teniamo a questo perché vogliamo capire come queste particelle veloci influenzano il plasma, " disse Zhang.

I fasci neutri svolgono molti ruoli quando vengono scomposti in particelle di plasma veloci. "Li usiamo per fare ogni sorta di cose, "Ha detto Zhang. "Possono riscaldare e guidare la corrente nel plasma. A volte creano instabilità plasmatiche ea volte le riducono. Le nostre simulazioni fanno tutte parte della comprensione di come si comportano queste particelle".

Prima un problema

Quando Zhang ha provato per la prima volta a simulare le particelle veloci si è imbattuta in un problema. Ha usato un algoritmo classico che non è riuscito a risparmiare energia durante quello che viene chiamato il processo di diffusione dell'angolo di beccheggio delle particelle che si scontrano. Tale dispersione è spesso osservata nel plasma di fusione quando gli elettroni si scontrano con ioni che sono circa 2, 000 volte più pesanti nelle collisioni simili alle palline da ping-pong che rimbalzano sui palloni da basket.

Per Zhang, il problema "era simile al tentativo di simulare l'orbita di un pianeta, " ha ricordato. Proprio come l'energia di un'orbita non cambia, "vuoi un algoritmo che conservi l'energia delle particelle di plasma sparse, " lei disse.

Conservare quell'energia è fondamentale, disse Qin, quale Zhang consultò. "Se un algoritmo che simula il processo non conserva l'energia delle particelle, la simulazione non può essere attendibile, " ha detto. Ha così escogitato un metodo alternativo, un algoritmo esplicitamente risolvibile che conserva l'energia delle particelle, che Zhang ha continuato a provare.

"Sono uno sperimentatore nel cuore e il mio approccio ai problemi è provarlo, ", ha detto. "Così ho eseguito una serie di simulazioni e ho fatto tutti i tipi di esperimenti numerici che hanno dimostrato che l'algoritmo funzionava meglio dell'algoritmo classico che non riusciva a risparmiare energia". il metodo alternativo non potrebbe essere dimostrato teoricamente.

Qin ha poi passato il problema allo studente laureato Fu, che hanno messo insieme una prova matematica intelligente della correttezza dell'algoritmo che potrebbe diventare un passo verso ulteriori soluzioni.

"L'algoritmo che abbiamo sviluppato è per un modello semplificato, " Zhang ha detto. "Si abbassano diversi termini che sarà importante includere. Ma sto andando avanti e puntando ad applicare l'algoritmo che abbiamo sviluppato a nuovi problemi di fisica del plasma".