Immagina di provare a evocare il sole nel tuo laboratorio di ricerca.

Sì, tu, grande stella luminosa! Porta con te il tuo calore bruciante, il dramma della costante fusione nucleare del tuo nucleo e i tuoi livelli di energia fuori dagli schemi. Vogliamo sapere come fare in modo che questa energia di fusione avvenga qui sulla Terra, a volontà ed in modo efficiente, in modo da poter eliminare per sempre la "fornitura di energia" dalla nostra lista di preoccupazioni.

Ma, ovviamente, il sole non può davvero raggiungere il laboratorio. Vive troppo lontano, circa 93 milioni di miglia, ed è troppo grande (circa 864.000 miglia di diametro). È anche troppo caldo e più denso di qualsiasi altra cosa sulla Terra. Ecco perché può sostenere le reazioni che generano tutta l'energia che alimenta la vita sulla Terra.

Ciò non ha scoraggiato gli scienziati dal perseguire la loro ricerca per la fusione nucleare, ovviamente.

Invece, hanno trovato modi straordinari, utilizzando laser intensi e carburante a idrogeno, per produrre condizioni estreme come quelle che esistono nel nucleo del sole, producendo fusione nucleare in minuscole capsule di plastica da 1 millimetro. Questo approccio è chiamato "fusione a confinamento inerziale".

La sfida è creare un sistema che generi più energia di fusione di quella necessaria per crearla.

Questo è eccezionalmente impegnativo perché richiede esperimenti di alta precisione in condizioni estreme, ma negli ultimi decenni i ricercatori hanno compiuto importanti progressi nella scienza e nella tecnologia necessarie per produrre la fusione controllata in laboratorio.

Ora il ricercatore Arijit Bose e i suoi collaboratori dell'Università del Delaware stanno perseguendo una variazione promettente di questo approccio. Il loro lavoro è stato pubblicato di recente in Physical Review Letters .

Hanno applicato potenti campi magnetici all'implosione guidata dal laser, che potrebbe consentire loro di guidare le reazioni di fusione in modi precedentemente inesplorati negli esperimenti.

Bose, un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UD, ha iniziato i suoi studi sulla fusione nucleare durante la scuola di specializzazione presso l'Università di Rochester.

Dopo aver visitato il Laboratory for Laser Energetics di Rochester, dove i laser vengono utilizzati per far implodere capsule sferiche e creare plasmi, noto come "fusione a confinamento inerziale", ha trovato un punto focale per la propria ricerca.

"La fusione è ciò che alimenta tutto sulla Terra", ha detto. "Avere un sole in miniatura sulla Terra, un sole delle dimensioni di un millimetro, è lì che si verificherebbe la reazione di fusione. E questo mi ha sbalordito."

La ricerca sulla fusione nucleare basata su laser esiste da decenni, ha affermato Bose.

È iniziato al Lawrence Livermore National Lab negli anni '70. Livermore ora ospita il più grande sistema laser del mondo, delle dimensioni di tre campi da calcio. La ricerca sulla fusione fatta lì utilizza un approccio indiretto. I laser sono diretti in una piccola lattina d'oro di 100 millimetri. Colpiscono la superficie interna della lattina e producono raggi X, che poi colpiscono il bersaglio, una minuscola sfera fatta di deuterio congelato e trizio, e lo riscaldano a temperature vicine al nucleo del sole.

"Niente può sopravvivere a questo", ha detto Bose. "Gli elettroni vengono strappati dagli atomi e gli ioni si muovono così velocemente che si scontrano e si fondono."

Il bersaglio implode in un nanosecondo, un miliardesimo di secondo, prima guidato dal laser, poi continuando a comprimersi per la propria inerzia. Infine, si espande a causa della crescente pressione centrale causata dalla compressione.

"L'avvio di una reazione a catena di fusione autoriscaldata si chiama accensione", ha affermato Bose. "Siamo notevolmente vicini al raggiungimento dell'accensione."

I ricercatori di Livermore hanno riportato nuovi impressionanti guadagni in questo sforzo l'8 agosto.

L'impianto laser OMEGA di Rochester è più piccolo e viene utilizzato per testare un approccio ad azionamento diretto. Questo processo non utilizza lattine d'oro. Invece, i laser colpiscono direttamente la sfera bersaglio.

Il nuovo pezzo è il potente campo magnetico, in questo caso, forze fino a 50 Tesla, che viene utilizzato per controllare le particelle cariche. In confronto, la tipica risonanza magnetica (MRI) utilizza magneti di circa 3 Tesla. E il campo magnetico che protegge la Terra dal vento solare è di molti ordini di grandezza inferiore a 50 T, ha affermato Bose.

"Vuoi che i nuclei si fondano", ha detto Bose. "I campi magnetici intrappolano le particelle cariche e le fanno girare intorno alle linee di campo. Questo aiuta a creare collisioni e questo aiuta a potenziare la fusione. Ecco perché l'aggiunta di campi magnetici ha vantaggi per la produzione di energia di fusione."

La fusione richiede condizioni estreme, ma è stata raggiunta, ha affermato Bose. La sfida è ottenere più energia prodotta che input e i campi magnetici forniscono la spinta che può rendere questo approccio trasformativo.

Gli esperimenti pubblicati in Physical Review Letters sono stati fatti quando Bose stava facendo ricerca post-dottorato presso il Plasma Science and Fusion Center del MIT. Quella collaborazione continua.

Bose ha detto di essere stato attratto dall'Università del Delaware, in parte, per l'attenzione alla fisica del plasma nel Dipartimento di Fisica e Astronomia, tra cui William Matthaeus, Michael Shay e Ben Maruca.

"Fanno studi e analisi dei dati provenienti dal programma solare della NASA e da tutte le sue missioni", ha detto. "Conduciamo esperimenti di astrofisica di laboratorio in cui questi fenomeni vengono ridimensionati nello spazio e nel tempo fino al laboratorio. Questo ci offre un mezzo per svelare alcune delle complesse questioni di fisica poste dalle missioni della NASA".

Gli studenti sono importanti motori di questo lavoro, ha affermato Bose, e le loro carriere possono vedere grandi progressi in questo nuovo campo di studio.

"È una parte affascinante della scienza e gli studenti sono una parte molto importante dello sviluppo della forza lavoro per i laboratori nazionali", ha affermato. "Gli studenti esperti in questa scienza e tecnologia spesso finiscono come scienziati e ricercatori nei laboratori nazionali."

C'è ancora molto lavoro da fare, ha detto.

"Non avremo una soluzione domani. Ma quello che stiamo facendo è contribuire a una soluzione per l'energia pulita". + Esplora ulteriormente

Magnetizzazione delle implosioni di fusione inerziale azionate da laser