Nas horas antes do amanhecer de 5 de setembro de 2021, engenheiros alcançaram um marco importante nos laboratórios do Centro de Ciência de Plasma e Fusão (PSFC) do MIT, quando um novo tipo de ímã, feito de material supercondutor de alta temperatura, alcançou uma força de campo magnético recorde mundial de 20 tesla para um ímã de grande escala. Essa é a intensidade necessária para construir uma usina de fusão que se espera produzir uma saída líquida de energia e potencialmente inaugurar uma era de produção de energia virtualmente ilimitada.
O teste foi imediatamente declarado um sucesso, tendo atendido a todos os critérios estabelecidos para o design do novo dispositivo de fusão, chamado SPARC, para o qual os ímãs são a tecnologia chave que possibilita. Rolhas de champanhe estouraram enquanto a cansada equipe de experimentadores, que trabalhou arduamente para tornar a conquista possível, celebrava seu feito.
Mas isso estava longe de ser o fim do processo. Ao longo dos meses seguintes, a equipe desmontou e inspecionou os componentes do ímã, analisou e examinou os dados de centenas de instrumentos que registraram detalhes dos testes, e realizou duas corridas de teste adicionais no mesmo ímã, empurrando-o até seu ponto de ruptura para aprender os detalhes de quaisquer possíveis modos de falha.
Todo esse trabalho culminou agora em um relatório detalhado por pesquisadores do PSFC e da empresa spinout do MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicado em uma coleção de seis artigos revisados por pares em uma edição especial do número de março de IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Juntos, os artigos descrevem o design e a fabricação do ímã e do equipamento de diagnóstico necessário para avaliar seu desempenho, bem como as lições aprendidas com o processo. No geral, a equipe descobriu que as previsões e a modelagem computacional estavam corretas, verificando que os elementos de design únicos do ímã poderiam servir como a base para uma usina de energia de fusão.
Habilitando energia de fusão prática
O teste bem-sucedido do ímã, diz o Professor de Engenharia da Hitachi America, Dennis Whyte, que recentemente deixou o cargo de diretor do PSFC, foi “a coisa mais importante, na minha opinião, nos últimos 30 anos de pesquisa em fusão.”
Antes da demonstração de 5 de setembro, os melhores ímãs supercondutores disponíveis eram poderosos o suficiente para potencialmente alcançar energia de fusão — mas apenas em tamanhos e custos que nunca poderiam ser práticos ou economicamente viáveis. Então, quando os testes mostraram a praticidade de um ímã tão forte em um tamanho muito reduzido, “da noite para o dia, basicamente mudou o custo por watt de um reator de fusão em um fator de quase 40 em um dia,” diz Whyte.
“Agora a fusão tem uma chance,” acrescenta Whyte. Tokamaks, o design mais amplamente utilizado para dispositivos experimentais de fusão, “têm uma chance, na minha opinião, de serem econômicos porque você tem uma mudança quântica em sua capacidade, com as regras conhecidas da física de confinamento, sobre ser capaz de reduzir muito o tamanho e o custo de objetos que tornariam a fusão possível.”
Os dados abrangentes e a análise do teste de ímã do PSFC, conforme detalhado nos seis novos artigos, demonstraram que os planos para uma nova geração de dispositivos de fusão — o projetado pelo MIT e CFS, bem como designs semelhantes de outras empresas comerciais de fusão — estão baseados em uma base sólida na ciência.
O avanço supercondutor
A fusão, o processo de combinar átomos leves para formar átomos mais pesados, alimenta o sol e as estrelas, mas aproveitar esse processo na Terra provou ser um desafio assustador, com décadas de trabalho árduo e muitos bilhões de dólares gastos em dispositivos experimentais. O objetivo há muito buscado, mas ainda não alcançado, é construir uma usina de energia de fusão que produza mais energia do que consome. Tal usina poderia produzir eletricidade sem emitir gases de efeito estufa durante a operação, e gerando muito pouco resíduo radioativo. O combustível da fusão, uma forma de hidrogênio que pode ser derivada da água do mar, é virtualmente ilimitado.
Mas para que funcione, é necessário comprimir o combustível a temperaturas e pressões extraordinariamente altas, e como nenhum material conhecido poderia suportar tais temperaturas, o combustível deve ser mantido no lugar por campos magnéticos extremamente poderosos. Produzir campos tão fortes requer ímãs supercondutores, mas todos os ímãs de fusão anteriores foram feitos com um material supercondutor que requer temperaturas frias de cerca de 4 graus acima do zero absoluto (4 kelvins, ou -270 graus Celsius). Nos últimos anos, um material mais novo apelidado de REBCO, para óxido de bário de cobre de terras raras, foi adicionado aos ímãs de fusão, e permite que eles operem a 20 kelvins, uma temperatura que, apesar de ser apenas 16 kelvins mais quente, traz vantagens significativas em termos de propriedades do material e engenharia prática.
Aproveitar este novo material supercondutor de alta temperatura não foi apenas uma questão de substituí-lo nos designs de ímãs existentes. Em vez disso, "foi uma reestruturação desde o início de quase todos os princípios que você usa para construir ímãs supercondutores", diz Whyte. O novo material REBCO é "extraordinariamente diferente da geração anterior de supercondutores. Você não vai simplesmente adaptar e substituir, você realmente vai inovar desde o início." Os novos artigos em Transactions on Applied Superconductivity descrevem os detalhes desse processo de redesign, agora que a proteção patente está em vigor.
Uma inovação chave: sem isolamento
Uma das inovações dramáticas, que deixou muitos outros no campo céticos quanto às suas chances de sucesso, foi a eliminação do isolamento ao redor das fitas finas e planas de fita supercondutora que formavam o ímã. Como virtualmente todos os fios elétricos, ímãs supercondutores convencionais são totalmente protegidos por material isolante para evitar curtos-circuitos entre os fios. Mas no novo ímã, a fita foi deixada completamente exposta; os engenheiros confiaram na condutividade muito maior do REBCO para manter a corrente fluindo através do material.
“Quando começamos este projeto, digamos em 2018, a tecnologia de usar supercondutores de alta temperatura para construir ímãs de alta intensidade em grande escala estava em sua infância,” diz Zach Hartwig, o Professor de Desenvolvimento de Carreira Robert N. Noyce no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear. Hartwig tem uma co-nomeação no PSFC e é o chefe de seu grupo de engenharia, que liderou o projeto de desenvolvimento do ímã. “O estado da arte eram pequenos experimentos de bancada, não realmente representativos do que é necessário para construir algo em tamanho real. Nosso projeto de desenvolvimento de ímãs começou em escala de bancada e terminou em escala total em um curto espaço de tempo,” acrescenta ele, observando que a equipe construiu um ímã de 20.000 libras que produziu um campo magnético constante e uniforme de pouco mais de 20 tesla — muito além de qualquer campo desse tipo já produzido em grande escala.
“A maneira padrão de construir esses ímãs é enrolar o condutor e você tem isolamento entre as bobinas, e você precisa de isolamento para lidar com as altas tensões que são geradas durante eventos anormais, como uma parada.” Eliminando as camadas de isolamento, ele diz, “tem a vantagem de ser um sistema de baixa tensão. Isso simplifica muito os processos de fabricação e o cronograma.” Também deixa mais espaço para outros elementos, como mais resfriamento ou mais estrutura para resistência.
A montagem do ímã é uma versão em escala ligeiramente menor daquelas que formarão a câmara em forma de donut do dispositivo de fusão SPARC que está sendo construído pela CFS em Devens, Massachusetts. Consiste em 16 placas, chamadas de panquecas, cada uma com uma bobina espiral da fita supercondutora de um lado e canais de resfriamento para gás hélio do outro.
Mas o design sem isolamento foi considerado arriscado, e muito estava em jogo no programa de testes. “Este foi o primeiro ímã em qualquer escala suficiente que realmente investigou o que está envolvido em projetar, construir e testar um ímã com essa tecnologia chamada de sem isolamento e sem torção,” diz Hartwig. “Foi uma grande surpresa para a comunidade quando anunciamos que era uma bobina sem isolamento.”
Empurrando ao limite … e além
O teste inicial, descrito em trabalhos anteriores, provou que o design e o processo de fabricação não apenas funcionaram, mas foram altamente estáveis — algo que alguns pesquisadores duvidaram. As duas próximas corridas de teste, também realizadas no final de 2021, então empurraram o dispositivo ao limite ao criar deliberadamente condições instáveis, incluindo uma interrupção completa da energia que pode levar a um superaquecimento catastrófico. Conhecido como resfriamento, isso é considerado um cenário de pior caso para a operação de tais ímãs, com o potencial de destruir o equipamento.
Parte da missão do programa de testes, diz Hartwig, foi “realmente desligar intencionalmente um ímã em escala real, para que possamos obter os dados críticos na escala e nas condições certas para avançar na ciência, validar os códigos de design e, em seguida, desmontar o ímã e ver o que deu errado, por que deu errado e como podemos dar a próxima iteração para corrigir isso. … Foi um teste muito bem-sucedido.”
Esse teste final, que terminou com o derretimento de um canto de uma das 16 panquecas, produziu uma riqueza de novas informações, diz Hartwig. Por um lado, eles estavam usando vários modelos computacionais diferentes para projetar e prever o desempenho de vários aspectos do desempenho do ímã, e na maior parte, os modelos concordaram em suas previsões gerais e foram bem validados pela série de testes e medições do mundo real. Mas ao prever o efeito do resfriamento, as previsões do modelo divergiram, então foi necessário obter os dados experimentais para avaliar a validade dos modelos.
“Os modelos de mais alta fidelidade que tínhamos previram quase exatamente como o ímã aqueceria, até que grau ele aqueceria à medida que começava a falhar, e onde estaria o dano resultante ao ímã,” ele diz. Como descrito em detalhes em um dos novos relatórios, “Esse teste na verdade nos disse exatamente a física que estava acontecendo, e nos disse quais modelos eram úteis para o futuro e quais deixar de lado porque não estão corretos.”
Whyte diz, “Basicamente, fizemos a pior coisa possível a uma bobina, de propósito, depois de termos testado todos os outros aspectos do desempenho da bobina. E descobrimos que a maioria da bobina sobreviveu sem danos,” enquanto uma área isolada sofreu algum derretimento. “É como se alguns por cento do volume da bobina tivesse sido danificado.” E isso levou a revisões no design que devem prevenir tais danos nos ímãs do dispositivo de fusão real, mesmo sob as condições mais extremas.
Hartwig enfatiza que uma das principais razões pelas quais a equipe conseguiu realizar um design de ímã radicalmente novo e estabelecer um novo recorde, e acertá-lo na primeira vez e em um cronograma acelerado, foi graças ao profundo nível de conhecimento, experiência e equipamentos acumulados ao longo de décadas de operação do tokamak Alcator C-Mod, do Laboratório de Ímãs Francis Bitter e de outros trabalhos realizados no PSFC. “Isso vai ao cerne das capacidades institucionais de um lugar como este,” ele diz. “Tínhamos a capacidade, a infraestrutura, o espaço e as pessoas para fazer essas coisas sob um mesmo teto.”
A colaboração com a CFS também foi fundamental, ele diz, com o MIT e a CFS combinando os aspectos mais poderosos de uma instituição acadêmica e de uma empresa privada para fazer coisas juntos que nenhum poderia ter feito sozinho. “Por exemplo, uma das principais contribuições da CFS foi aproveitar o poder de uma empresa privada para estabelecer e escalar uma cadeia de suprimentos em um nível e cronograma sem precedentes para o material mais crítico do projeto: 300 quilômetros (186 milhas) de supercondutor de alta temperatura, que foi adquirido com rigoroso controle de qualidade em menos de um ano, e integrado no cronograma no ímã.”
A integração das duas equipes, as do MIT e as da CFS, também foi crucial para o sucesso, ele diz. “Nós nos consideramos uma equipe, e isso tornou possível fazer o que fizemos.”
