Infine, c’è un uso pratico della fusione nucleare. Ma questo non è quello che ti aspetti

I ricercatori hanno utilizzato le temperature infernali di un reattore sperimentale a fusione nucleare per uno scopo sorprendente: testare i materiali degli scudi termici dei veicoli spaziali. Per scrivere il sito scientifico britannico cablato.

Perché questo è importante?

La fusione nucleare è una tecnologia potenzialmente rivoluzionaria che potrebbe fornire energia essenzialmente illimitata. Gli scettici sostengono che la fusione nucleare è destinata a rimanere per sempre la fonte di energia del futuro: per ora, gli esperimenti di fusione consumano ancora più elettricità di quanta ne generino. Ma i progetti possono servire anche ad un altro scopo…

Il 7 dicembre 1995, una sonda della NASA penetrò nell’atmosfera di Giove. Mentre la sonda, il La sonda atmosferica di Giove, con più di 100.000 km/h. Ronzio attraverso il rimorchio, l’attrito ha riscaldato l’aria intorno al velivolo a più di 28.000 gradi Fahrenheit. Questo ha diviso gli atomi in particelle cariche e ha creato una zuppa elettrica chiamata plasma. Il plasma spiega fenomeni naturali come i fulmini o l’aurora boreale; Il sole è una gigantesca palla di plasma in fiamme.

Il plasma si è fatto strada attraverso lo scudo termico di Giove molto più velocemente di quanto si aspettasse chiunque alla NASA. Quando gli ingegneri dell’agenzia hanno analizzato i dati dei sensori nello scudo termico, si sono resi conto che i loro modelli esatti erano sbagliati. Lo scudo si è disintegrato in alcune aree molto più del previsto, e molto meno in altre. La sonda è sopravvissuta a malapena, l’unico motivo è che hanno creato un margine di errore nel progetto rendendolo più spesso. “Questa è rimasta una domanda aperta”, ha detto Eva Kostdinova, esperta di plasma della Auburn University. cablato. “Ma se vuoi progettare nuove attività, devi essere in grado di modellare ciò che accade”.

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Collegato a un’astronave da un miliardo di dollari

È molto difficile simulare accuratamente le condizioni di ingresso per un veicolo spaziale ad alta velocità in un’atmosfera pressurizzata, quindi è difficile testare modelli di precisione progettati per tali missioni spaziali.

Ciò ostacola anche i nuovi materiali per lo scudo termico che potrebbero essere più leggeri o migliori degli schermi termici a base di carbonio in uso oggi. Se non puoi testarli, è molto difficile essere sicuri che funzioneranno quando saranno collegati a un’astronave da un miliardo di dollari.

I test precedenti hanno utilizzato laser, raggi al plasma e proiettili ad alta velocità per simulare l’ingresso di calore nell’aereo. Ma nessuno di loro ha ragione. “Non esiste una struttura spaziale sulla Terra che possa raggiungere le alte temperature che incontra in condizioni atmosferiche”. sfondamento per qualcosa come Giove”, dice Kosdinova.

calore rovente dal reattore

Una nuova ricerca di Kostadinova e del collaboratore Dmitriy Orlov dell’Università della California, San Diego, ha rivelato una possibile alternativa: il calore torrido all’interno di un reattore sperimentale a fusione nucleare.

Diverse centinaia di tali reattori, noti come tokamak, si trovano in strutture di ricerca finanziate dal governo in tutto il mondo. Il più famoso di questi è l’anello comune europeo nel Regno Unito e ITERInternational Experimental Thermonuclear Reactor, una cooperativa di 35 nazioni nel sud della Francia.

I ricercatori usano questo tokamak da decenni per affrontare le sfide fusione nucleare. Nel tokamak vengono utilizzati potenti magneti plasma In modo che possa raggiungere le decine di milioni di gradi necessari per fondere atomi e rilasciare energia.

plasma

Ma Kostadinova e il suo collaboratore Dmitriy Orlov erano più interessati al plasma all’interno di questi reattori. Si rendono conto che questa è solo una simulazione perfetta di un veicolo spaziale che penetra nell’atmosfera di un gigante gassoso, un pianeta composto principalmente da gas. Orloff lavora al reattore a fusione DIII-D, un tokamak sperimentale presso una struttura del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti a San Diego, ma il suo background è in ingegneria aerospaziale.

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Insieme hanno usato le strutture DIII-D per eseguire una serie di esperimenti. Attraverso una porta nella parte inferiore del tokamak, hanno inserito una serie di barre di carbonio nel flusso di plasma e hanno utilizzato telecamere e spettrometri a infrarossi ad alta velocità per vedere come si sono disintegrati. Orloff e Kostadinova hanno anche sparato minuscoli grani di carbonio ad alta velocità nel reattore, simulando su piccola scala ciò che lo scudo termico della sonda avrebbe sperimentato nell’atmosfera di Giove.

Le condizioni nel tokamak erano notevolmente simili in termini di temperatura del plasma, velocità con cui scorre sul materiale e persino composizione. Ad esempio, l’atmosfera gioviana è costituita principalmente da idrogeno ed elio e il tokamak utilizza il deuterio DIII-D, un isotopo dell’idrogeno. “Invece di riprendere qualcosa a una velocità molto elevata, abbiamo inserito un oggetto fermo in una corrente molto veloce”, afferma Orloff.

Gli esperimenti, presentati questo mese a una riunione dell’American Physical Society a Pittsburgh, hanno contribuito a convalidare i modelli sviluppati dagli scienziati della NASA utilizzando i dati restituiti dalla sonda. Ma funziona anche come file verifica teorica per un nuovo tipo di prova.

giardino sperimentale

Resta da vedere se i reattori a fusione saranno un banco di prova pratico: dispositivi incredibilmente sensibili progettati per uno scopo completamente diverso. Orlov e Kostadinov hanno avuto tempo al DIII-D come parte di uno sforzo speciale per utilizzare il reattore per espandere le conoscenze scientifiche. Sono stati in grado di farlo utilizzando una porta integrata nel tokamak per testare in sicurezza il nuovo materiale. Ma è un processo costoso. La loro giornata alla macchina è costata mezzo milione di dollari. Di conseguenza, è probabile che in futuro questi tipi di esperimenti vengano eseguiti solo sporadicamente.

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Con più esperimenti, Orlov e Kostadinova sperano che i modelli possano essere migliorati e utilizzati per migliorare il design dello scudo termico per le missioni future. Applicando più materiale quando serve, ma rimuovendolo anche dove non serve. La missione DAVINCI+ della NASA, che sarà lanciata su Venere entro la fine di questo decennio, potrebbe essere la prima a trarne vantaggio.

Inoltre, questa tecnica può essere utilizzata per testare nuovi materiali, come il carburo di silicio. O forme più recenti di scudi termici, che utilizzano una combinazione di materiali passivi che bruciano e altri componenti che non lo fanno.

Se si verifica un errore

La ricerca può aiutare anche con il design reattori a fusione te stesso. Finora, comprensibilmente, la maggior parte della ricerca si è concentrata sulle interazioni del plasma nel nucleo del tokamak. Ma poiché la fusione diventa sempre più commerciale, occorre prestare maggiore attenzione alla costruzione di reattori. E progettando materiali in grado di assorbire la reazione di fusione e dissipare energia in modo sicuro se le cose vanno male…

(Javed)

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