È stato un momento di tre anni di lavoro, sulla base di un intenso lavoro di ricerca e progettazione:il 5 settembre, per la prima volta, un grande elettromagnete superconduttore ad alta temperatura è stato portato a un'intensità di campo di 20 tesla, il campo magnetico più potente del suo genere mai creato sulla Terra. Questa dimostrazione di successo aiuta a risolvere la più grande incertezza nella ricerca per costruire la prima centrale elettrica a fusione al mondo in grado di produrre più energia di quanta ne consumi, secondo i leader del progetto presso il MIT e la startup Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Che anticipo apre la strada, dicono, per la ricercata realizzazione di pratiche, poco costoso, centrali elettriche prive di carbonio che potrebbero dare un contributo importante alla limitazione degli effetti del cambiamento climatico globale.

"La fusione in molti modi è l'ultima fonte di energia pulita, "dice Maria Zuber, Vicepresidente del MIT per la ricerca e professore di geofisica E. A. Griswold. "La quantità di potenza disponibile è davvero rivoluzionaria". Il combustibile utilizzato per creare energia da fusione proviene dall'acqua, e "la Terra è piena d'acqua:è una risorsa quasi illimitata. Dobbiamo solo capire come utilizzarla".

Lo sviluppo del nuovo magnete è visto come il più grande ostacolo tecnologico per far sì che ciò accada; la sua riuscita operazione ora apre le porte alla dimostrazione della fusione in un laboratorio sulla Terra, che è stato perseguito per decenni con progressi limitati. Con la tecnologia dei magneti ora dimostrata con successo, la collaborazione MIT-CFS è sulla buona strada per costruire il primo dispositivo di fusione al mondo in grado di creare e confinare un plasma che produce più energia di quanta ne consuma. Quel dispositivo dimostrativo, chiamato SPARC, è previsto per il completamento nel 2025.

"Le sfide per realizzare la fusione sono sia tecniche che scientifiche, "dice Dennis Whyte, direttore del Plasma Science and Fusion Center del MIT, che sta lavorando con CFS per sviluppare SPARC. Ma una volta provata la tecnologia, lui dice, "è un inesauribile, fonte di energia priva di emissioni di carbonio che puoi utilizzare ovunque e in qualsiasi momento. È davvero una fonte di energia fondamentalmente nuova".

perchè, chi è il professore di ingegneria di Hitachi America, afferma che la dimostrazione di questa settimana rappresenta un'importante pietra miliare, affrontare le maggiori domande rimaste sulla fattibilità del progetto SPARC. "È davvero un momento spartiacque, Credo, nella scienza e tecnologia della fusione, " lui dice.

Il sole in bottiglia

La fusione è il processo che alimenta il sole:la fusione di due piccoli atomi per farne uno più grande, liberando quantità prodigiose di energia. Ma il processo richiede temperature ben oltre quelle che qualsiasi materiale solido potrebbe sopportare. Per catturare la fonte di energia del sole qui sulla Terra, quello che serve è un modo per catturare e contenere qualcosa di così caldo—100, 000, 000 gradi o più, sospendendolo in un modo che gli impedisca di entrare in contatto con qualcosa di solido.

Questo viene fatto attraverso intensi campi magnetici, che formano una sorta di bottiglia invisibile per contenere il caldo vorticoso brodo di protoni ed elettroni, chiamato plasma. Poiché le particelle hanno una carica elettrica, sono fortemente controllati dai campi magnetici, e la configurazione più utilizzata per contenerli è un dispositivo a forma di ciambella chiamato tokamak. La maggior parte di questi dispositivi ha prodotto i propri campi magnetici utilizzando elettromagneti convenzionali in rame, ma l'ultima e più grande versione in costruzione in Francia, chiamato ITER, utilizza i cosiddetti superconduttori a bassa temperatura.

La principale innovazione nel progetto di fusione MIT-CFS è l'uso di superconduttori ad alta temperatura, che consentono un campo magnetico molto più forte in uno spazio più piccolo. Questo progetto è stato reso possibile da un nuovo tipo di materiale superconduttore che è diventato disponibile in commercio alcuni anni fa. L'idea è nata inizialmente come un progetto di classe in un corso di ingegneria nucleare tenuto da Whyte. L'idea sembrava così promettente che ha continuato a essere sviluppata nelle successive iterazioni di quella classe, che ha portato al concetto di progettazione della centrale elettrica ARC all'inizio del 2015. SPARC, progettato per essere circa la metà delle dimensioni di ARC, è un banco di prova per dimostrare il concetto prima della costruzione del full-size, impianto di produzione di energia.

Fino ad ora, l'unico modo per ottenere i campi magnetici colossalmente potenti necessari per creare una "bottiglia" magnetica in grado di contenere plasma riscaldato fino a centinaia di milioni di gradi era renderli sempre più grandi. Ma il nuovo materiale superconduttore ad alta temperatura, realizzato a forma di appartamento, nastro a forma di nastro, consente di ottenere un campo magnetico più elevato in un dispositivo più piccolo, eguagliando le prestazioni che si otterrebbero in un apparato di volume 40 volte maggiore utilizzando magneti superconduttori convenzionali a bassa temperatura. Quel salto di potenza rispetto alle dimensioni è l'elemento chiave del design rivoluzionario di ARC.

L'uso dei nuovi magneti superconduttori ad alta temperatura consente di applicare decenni di conoscenze sperimentali acquisite dal funzionamento degli esperimenti tokamak, inclusa la serie Alcator del MIT. Il nuovo approccio utilizza un design ben noto, ma ridimensiona tutto fino a circa la metà della dimensione lineare e raggiunge ancora le stesse condizioni operative a causa del campo magnetico più elevato.

Una serie di articoli scientifici pubblicati lo scorso anno ha delineato le basi fisiche e, per simulazione, ha confermato la fattibilità del nuovo dispositivo di fusione. I giornali hanno dimostrato che, se i magneti hanno funzionato come previsto, l'intero sistema di fusione dovrebbe infatti produrre potenza netta, per la prima volta in decenni di ricerca sulla fusione.

Martin Greenwald, vicedirettore e ricercatore senior presso il PSFC, dice a differenza di altri progetti per esperimenti di fusione, "la nicchia che stavamo riempiendo era usare la fisica del plasma convenzionale, e design e ingegneria tokamak convenzionali, ma portaci questa nuova tecnologia dei magneti. Così, non avevamo bisogno di innovazione in una mezza dozzina di aree diverse. Vorremmo solo innovare sul magnete, e quindi applicare la base di conoscenza di ciò che è stato appreso negli ultimi decenni."

Quella combinazione di principi di progettazione scientificamente stabiliti e forza del campo magnetico rivoluzionaria è ciò che rende possibile realizzare un impianto che potrebbe essere economicamente sostenibile e sviluppato in modo rapido. "È un grande momento, "dice Bob Mumgaard, CEO di CFS. "Ora disponiamo di una piattaforma scientificamente molto avanzata, a causa dei decenni di ricerca su queste macchine, e anche commercialmente molto interessante. Ciò che fa è permetterci di costruire dispositivi più velocemente, più piccoli, e a minor costo, " dice della riuscita dimostrazione del magnete.

Prova del concetto

Realizzare quel nuovo concetto di magnete ha richiesto tre anni di intenso lavoro sul design, creazione di catene di approvvigionamento, e elaborare metodi di produzione per i magneti che alla fine potrebbero dover essere prodotti a migliaia.

"Abbiamo costruito un primo nel suo genere, magnete superconduttore. È stato necessario molto lavoro per creare processi e attrezzature di produzione unici. Di conseguenza, ora siamo ben preparati per avviare la produzione SPARC, "dice Joy Dunn, capo delle operazioni di CFS. "Abbiamo iniziato con un modello fisico e un progetto CAD, e ha lavorato attraverso un sacco di sviluppo e prototipi per trasformare un progetto su carta in questo vero magnete fisico." Ciò ha comportato la costruzione di capacità di produzione e strutture di test, compreso un processo iterativo con più fornitori del nastro superconduttore, per aiutarli a raggiungere la capacità di produrre materiale che soddisfi le specifiche necessarie e per il quale CFS è ora in modo schiacciante il più grande utente al mondo.

Hanno lavorato con due possibili modelli di magneti in parallelo, entrambi hanno finito per soddisfare i requisiti di progettazione, lei dice. "Si è trattato davvero di rivoluzionare il modo in cui produciamo i magneti superconduttori, e quale era più facile da costruire." Il design che hanno adottato si è distinto chiaramente a questo proposito, lei dice.

In questa prova, il nuovo magnete è stato gradualmente alimentato in una serie di passaggi fino a raggiungere l'obiettivo di un campo magnetico di 20 tesla, la più alta intensità di campo mai raggiunta da un magnete a fusione superconduttore ad alta temperatura. Il magnete è composto da 16 piastre impilate insieme, ognuno dei quali di per sé sarebbe il magnete superconduttore ad alta temperatura più potente al mondo.

"Tre anni fa abbiamo annunciato un piano, "dice Mumgaard, "per costruire un magnete da 20 tesla, che è ciò di cui avremo bisogno per le future macchine a fusione." Questo obiettivo è stato raggiunto, proprio nei tempi previsti, anche con la pandemia, lui dice.

Citando la serie di articoli di fisica pubblicati lo scorso anno, Brandon Sorbo, il direttore scientifico di CFS, dice "in pratica i giornali concludono che se costruiamo il magnete, tutta la fisica funzionerà in SPARC. Così, questa dimostrazione risponde alla domanda:possono costruire il magnete? È un momento molto emozionante! È un grande traguardo".

Il prossimo passo sarà costruire SPARC, una versione su scala ridotta della prevista centrale elettrica ARC. Il successo dell'operazione di SPARC dimostrerà che una centrale elettrica a fusione commerciale su vasta scala è pratica, spianare la strada alla rapida progettazione e costruzione di quel dispositivo pionieristico può quindi procedere a tutta velocità.

Zuber afferma che "Ora sono sinceramente ottimista sul fatto che SPARC possa ottenere energia netta positiva, sulla base delle prestazioni dimostrate dei magneti. Il prossimo passo è aumentare, per costruire una vera e propria centrale elettrica. Ci sono ancora molte sfide da affrontare, non ultimo dei quali è lo sviluppo di un design che consente un affidabile, funzionamento sostenuto. E rendendosi conto che l'obiettivo qui è la commercializzazione, un'altra grande sfida sarà quella economica. Come progettate queste centrali elettriche in modo che sia conveniente costruirle e distribuirle?"

Un giorno in un futuro sperato, quando potrebbero esserci migliaia di impianti di fusione che alimentano reti elettriche pulite in tutto il mondo, Zuber dice, "Penso che guarderemo indietro e penseremo a come ci siamo arrivati, e penso che la dimostrazione della tecnologia dei magneti, per me, è il momento in cui ho creduto che, Oh, possiamo davvero farcela".

La riuscita creazione di un dispositivo di fusione per la produzione di energia sarebbe un enorme risultato scientifico, Note Zuber. Ma non è questo il punto principale. "Nessuno di noi sta cercando di vincere trofei a questo punto. Stiamo cercando di mantenere vivibile il pianeta".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.