Nos bastidores de um experimento de fusão nuclear de US$ 200 milhões

Como cientistas e engenheiros fazem peças para um experimento de fusão nuclear no Princeton Plasma Physics Laboratory em Nova Jersey.

O maquinista sênior Joe Diamond está trabalhando nas placas de transição de aço inoxidável que serão instaladas dentro do recipiente a vácuo e na pilha central. (Emma Lee/POR QUÊ)

Esta história é do The Pulse, um podcast semanal de saúde e ciência.

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O maquinista Joe Diamond fez peças para carros, trens e submarinos nucleares, mas disse que uma chapa de aço inoxidável está entre as coisas mais difíceis que ele já teve de fabricar.

Ele fabrica peças de máquinas há mais de 50 anos e agora trabalha no Princeton Plasma Physics Laboratory. O laboratório faz experimentos de fusão nuclear, que os cientistas sonham em usar como fonte de energia na Terra há mais de meio século. É o que acontece no centro do sol.

Parte da dificuldade é projetar e construir o equipamento para testar isso na Terra, disse Stefan Gerhardt, um dos físicos que dirigem o projeto.

"É muito fácil projetar algo que ninguém na terra pode construir", disse ele. "E assim, todas essas ideias extravagantes sobre física e engenharia de projeto devem ser limitadas pelo que pode ser feito com dinheiro e tempo finitos, por pessoas reais, com máquinas-ferramentas reais. Há uma tensão constante em meu negócio ao avaliar ... essa interação . Isso é o que o torna interessante e o que o torna difícil.

A placa de aço inoxidável que Joe Diamond precisa fazer tem cerca de 10 polegadas de comprimento, meia polegada de espessura e tem a forma de um trapézio. A parte complicada é que as placas são cônicas e não têm a mesma espessura em todo o caminho. O diamante precisa cortar um pedaço de aço inoxidável e raspar cuidadosamente o metal de uma das pontas, para que fique no ângulo certo.

Para imaginar esse experimento de fusão de US$ 200 milhões, pense em uma maçã de 4,5 metros de altura, feita de metal. Quando a máquina é ligada, o miolo da maçã contém um gás tão quente que corresponde à temperatura do centro do sol, mais de 10 milhões de graus Celsius. Isso transforma o gás em um estado completamente diferente da matéria, chamado plasma. O sol usa a gravidade para manter o plasma ultraquente.

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No experimento, o miolo da maçã fica voltado para o plasma e é revestido com ladrilhos planos de carbono. Esses ladrilhos podem suportar o calor e carregá-lo com segurança para fora.

Mas o problema é que o laboratório não pode fazer uma maçã de metal de forma que aquelas placas planas cubram perfeitamente a superfície do caroço da maçã. Para corrigir esse problema, os cientistas projetaram as placas de aço inoxidável para ficar em algum lugar entre o núcleo da maçã e a casca externa e ajudar a alinhar os ladrilhos de carbono, que não podem estar fora de mais de 0,01 polegada.

Porque se os ladrilhos de carbono não estiverem alinhados corretamente, eles podem ficar muito quentes, partes dele podem cair no plasma e o experimento não ficará tão quente quanto os cientistas precisam.

Uma pilha de talvez 10 dessas placas de aço inoxidável levou quase um ano para ser feita, e os cientistas fizeram algumas mudanças, então levará mais tempo.

As possíveis consequências de fazer algo errado podem ser sérias. Em 2016, o laboratório havia acabado de concluir um programa de atualização de quatro anos, mas um dos ímãs usados ​​para ajudar a manter o plasma ultraquente falhou. O dispositivo foi desligado por meses. O diretor do laboratório na época renunciou após uma carreira de oito anos. Um artigo da Science chamou isso de golpe corporal no laboratório.

O físico Stefan Gerhardt disse que eles trabalharam para garantir que um erro como esse não aconteça novamente e aumentaram seus já altos padrões de peças.

Por exemplo, ele disse que quando o laboratório pediu às empresas que produzissem mais desses ímãs, o laboratório testou os ímãs cortando-os para verificar se havia falhas ocultas, o que nunca havia feito em protótipos de ímãs antes. O laboratório também pediu às empresas que fabricam os ímãs que se certificassem de que tinham uma sala limpa, livre de poeira ou outro trabalho de metal que pudesse contaminar os ímãs sendo feitos.