Gli scienziati hanno raggiunto un traguardo importante nella progettazione concettuale degli stellarator, strutture sperimentali che potrebbero riprodurre sulla Terra l’energia di fusione che alimenta il sole e le stelle. La svolta mostra come modellare in modo più preciso i campi magnetici che sono racchiusi negli stellarator per creare una capacità senza precedenti di tenere insieme il combustibile di fusione.

“La cosa fondamentale è stata lo sviluppo di un software che consenta di provare rapidamente nuovi metodi di progettazione”, ha affermato Elizabeth Paul, un borsista post-dottorato presidenziale dell’Università di Princeton presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e co-autore di un documento che descrive in dettaglio la scoperta in Physical Review Letters. I risultati prodotti da Paul e dall’autore principale Matt Landreman dell’Università del Maryland potrebbero aumentare la capacità degli stellarator di usare la fusione per generare energia elettrica sicura e priva di carbonio per l’umanità.

Gli stellarator, inventati dall’astrofisico di Princeton e fondatore del PPPL Lyman Spitzer nel 1950, sono da tempo passati in secondo piano rispetto ai tokamak nello sforzo mondiale di produrre energia da fusione controllata. Ma i recenti sviluppi che includono le impressionanti prestazioni dello stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) in Germania, gli ampi risultati del Large Helical Device (LHD) in Giappone, i promettenti risultati dell’Helically Symmetric Experiment (HSX) a Madison, wisconsin, e l’uso proposto di semplici magneti permanenti per sostituire complesse bobine stellarator, hanno creato una rinascita di interesse per le macchine tortuose.

La fusione crea una vasta energia in tutto l’universo combinando elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni, che costituisce il 99% dell’universo visibile. Gli stellarator potrebbero produrre versioni di laboratorio del processo senza il rischio di interruzioni dannose che gli impianti di fusione tokamak più ampiamente utilizzati devono affrontare.

Tuttavia, i campi magnetici tortuosi negli stellarator sono stati meno efficaci nel confinare i percorsi degli ioni e degli elettroni rispetto ai campi simmetrici a forma di ciambella nei tokamak, causando una grande e prolungata perdita del calore estremo necessario per riunire gli ioni per rilasciare energia di fusione. Inoltre, le bobine complesse che producono i campi stellari sono difficili da progettare e costruire.

L’attuale svolta produce quella che viene chiamata “quasisimmetria” negli stellarator per quasi eguagliare la capacità limitante dei campi simmetrici di un tokamak. Mentre gli scienziati hanno a lungo cercato di produrre quasisimmetria nella torsione degli stellarator, la nuova ricerca sviluppa un trucco per crearlo in modo quasi preciso. Il trucco utilizza un nuovo software open source chiamato SIMSOPT (Simons Optimization Suite) progettato per ottimizzare gli stellarator perfezionando lentamente la forma simulata del confine del plasma che segna i campi magnetici. “La capacità di automatizzare le cose e provare rapidamente le cose con questo nuovo software rende possibili queste configurazioni”, ha dichiarato Landreman.

Gli scienziati potrebbero anche applicare i risultati allo studio dei problemi astrofisici, ha spiegato. In Germania, un team sta sviluppando uno stellarator quasisimmetrico per confinare e studiare particelle di antimateria come quelle che si trovano nello spazio. “È esattamente la stessa sfida della fusione”, ha spiegato Landreman. “Devi solo assicurarti che le particelle rimangano confinate”.

La svolta richiederà un miglioramento. Per semplicità, ad esempio, la ricerca ha considerato un regime in cui la pressione e la corrente elettrica nel plasma erano piccole. “Abbiamo fatto alcune ipotesi semplificative, ma la ricerca è un passo avanti perché abbiamo dimostrato che è possibile ottenere una quasisimmetria precisa che per molto tempo si è pensato non fosse possibile”, ha dichiarato Paul.

Necessitano anche di ulteriori sviluppi, prima che i risultati possano essere realizzati, le nuove bobine stellarator e l’ingegneria nel dettaglio del design dello stellarator. Il campo magnetico potrebbe essere fornito in parte dai magneti permanenti che PPPL sta sviluppando per snellire le bobine di stellarator contorte di oggi. “I più grandi pezzi mancanti sono i magneti, la pressione e la corrente”, ha spiegato Landreman.

A supervisionare il lavoro di Paul a Princeton è il fisico PPPL Amitava Bhattacharjee, professore di scienze astrofisiche a Princeton che supervisiona anche il progetto “Hidden Symmetries and Fusion Energy” sponsorizzato dalla Simons Foundation di New York che ha finanziato il documento PRL. Il lavoro di Stellarator sul progetto Simons procede parallelamente alla ricerca PPPL per sviluppare il promettente dispositivo che il Laboratorio ha inventato circa 70 anni fa. Tale sviluppo combinerebbe le migliori caratteristiche di stellarator e tokamak per progettare una struttura priva di interruzioni con un forte confinamento del plasma per riprodurre una fonte praticamente illimitata di energia di fusione.