Η ενέργεια που παράγεται από την πυρηνική σύντηξη είναι η πιο υποσχόμενη ως σχετικά «καθαρή» και σχεδόν απεριόριστη, αλλά υπάρχουν πολλά εμπόδια μέχρι ο άνθρωπος να καταφέρει να την «δαμάσει» - όμως οι επιστήμονες φαίνεται ότι θα καταφέρουν σύντομα να ξεπεράσουν ένα από αυτά.

Πιο συγκεκριμένα, ερευνητές στο εργαστήριο Princeton Plasma Physics του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ έχουν δημιουργήσει νέα μοντέλα ώστε να μελετήσουν και τελικά να λύσουν ένα πρόβλημα που προκαλεί απώλεια ζωτικής θερμότητας στους αντιδραστήρες σύντηξης σε σχήμα “ντόνατ” (τα γνωστά ως Τόκαμακ), εμποδίζοντας τους  να λειτουργούν με την υψηλή απόδοση που απαιτείται.

Καθοδηγούμενη από τον φυσικό Roscoe White, η ερευνητική ομάδα του εργαστηρίου χρησιμοποίησε υπολογιστές για να προσομοιώσει έναν τύπο κίνησης πλάσματος που μπορεί να στείλει πολύ ενεργητικά σωματίδια από τον πυρήνα έως την άκρη, ένα φαινόμενο που μπορεί να συμβεί στο ITER, ένα διεθνές ερευνητικό έργο πυρηνικής σύντηξης που κατασκευάζεται στη Γαλλία, με σκοπό να δείξει ότι η σύντηξη είναι αποδοτική πηγή ενέργειας.

"Για να λειτουργήσει οποιαδήποτε συσκευή σύντηξης, πρέπει να βεβαιωθούμε ότι τα πολύ ενεργητικά σωματίδια μέσα σε αυτό είναι πολύ καλά περιορισμένα στον πυρήνα του πλάσματος", εξηγεί ο φυσικός Vinícius Duarte, μέλος της ερευνητικής ομάδας . "Εάν αυτά τα σωματίδια μετακινηθούν στην άκρη του πλάσματος, δεν μπορούμε να διατηρήσουμε το πλάσμα στη σταθερή κατάσταση που απαιτείται για να κάνουμε την ηλεκτρική ενέργεια με σύντηξη πραγματικότητα".

O Duarte, αναφέρεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται "κελάηδισμα" (Chirping) το οποίο συμβαίνει όταν η συχνότητα των κυμάτων πλάσματος που αλληλοεπιδρούν με εξαιρετικά ενεργειακά σωματίδια αλλάζει ξαφνικά, προκαλώντας τελικά την ενέργεια να διαφύγει από τον πυρήνα του πλάσματος (στη φωτογραφία του άρθρου είναι το ροζ ντόνατ που βλέπετε να σχηματίζεται στο εσωτερικό του Tokamak) και να παράγει ταχέως μεταβαλλόμενους τόνους. Τα νέα ευρήματα, τα οποία διασαφηνίζουν το πως συμβαίνει το “κελάηδισμα” σε ένα Τόκαμακ, θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να καταλάβουν πώς να ματαιώσουν αυτό το φαινόμενο και να «κρατήσουν» τη ζωτική θερμότητα.

Η σύντηξη, συνδυάζει στοιχεία φωτός με τη μορφή πλάσματος, την καυτή, φορτισμένη κατάσταση της ύλης που αποτελείται από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ατομικούς πυρήνες και παράγει τεράστιες ποσότητες ενέργειας στα αστέρια. Οι επιστήμονες στοχεύουν στην αναπαραγωγή της σύντηξης σε συσκευές στη Γη για μια σχεδόν ανεξάντλητη παροχή ασφαλούς και πιο καθαρής λύσης (σε σχέση με τους παραδοσιακούς πυρηνικούς αντιδραστήρες) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Οι επιστήμονες έπρεπε να δημιουργήσουν νέα εικονικά εργαλεία για να παρατηρήσουν την κίνηση των προσομοιωμένων κυμάτων με την απαιτούμενη λεπτομέρεια. "Το πιο δύσκολο πράγμα ήταν η εφεύρεση των διαγνωστικών που θα έδειχναν καθαρά τι συνέβαινε", εξηγεί ο White. "Είναι σαν να χτίζεις ένα μικροσκόπιο που θα σε αφήσει να δεις αυτό που πρέπει να δεις".

Οι ερευνητές, χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις ηλεκτρονικών υπολογιστών που δείχνουν πολύ λεπτομερείς εικόνες από την κίνηση των σωματιδίων πλάσματος για να αποκαλύψουν μερικούς από τους μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για το “κελάηδισμα”, πράγμα που δίνει την ελπίδα ότι στο μέλλον θα μπορέσουν να βρουν τρόπους για να βελτιώσουν τα αποτελέσματά τους.

Οι επιστήμονες προσπάθησαν να υπολογίσουν πώς αλλάζει η θέση και η ταχύτητα των σωματιδίων πλάσματος με την πάροδο του χρόνου σε τρεις διαστάσεις. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το κτύπημα ξεκινά όταν τα γρήγορα κινούμενα σωματίδια στον πυρήνα αλληλοεπιδρούν με κύματα που διέρχονται μέσω του πλάσματος και σχηματίζουν αυθόρμητα συστάδες που μεταναστεύουν στην άκρη του πλάσματος. Τα ευρήματα επιβεβαιώνουν προηγούμενα αποτελέσματα με βάση απλουστευμένα Τόκαμακ. Επίσης, αποκαλύπτουν πλουσιότερες και πιο περίπλοκες δυναμικές που δεν έχουν ξαναδεί.

Αυτή η αλληλεπίδραση με τα σωματίδια πλάσματος, προκαλεί τη συχνότητα των λεγόμενων κυμάτων Alfvén πλάσματος να αυξηθεί και να πέσει ταυτόχρονα, εκτοξεύοντας τις συστάδες προς την άκρη του πλάσματος και μερικές φορές στον τοίχο. "Τα εργαλεία που αναπτύχθηκαν σε αυτή την έρευνα επέτρεψαν μια ματιά στην περίπλοκη, αυτό-οργανωμένη δυναμική των “κελαηδισμάτων” σε ένα Τόκαμακ”, είπε ο Duarte.