Fusão nuclear: nó na luz cria campo de força 3D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/03/2011

Uma nova técnica usada para criar nós de luz tem o potencial para entrelaçar correntes de partículas carregadas em plasmas de alta temperatura - um passo importante para o desenvolvimento da fusão nuclear como fonte de energia.
[Imagem: NYU]

Nó na luz

Em 2010, causou sensação um estudo no qual cientistas demonstraram que é possível dar nós na luz.

Agora, dois pesquisadores da Universidade de Nova Iorque, nos Estados Unidos, foram além, e demonstraram que a luz pode ser enrolada e trançada para formar armadilhas capazes de capturar e movimentar objetos microscópicos.

Ao contrário das tradicionais pinças ópticas, que são usadas para manipular partículas sobre superfícies, as novas "armadilhas ópticas holográficas" conseguem manipular objetos flutuando livremente, em 3D.

Além de criar uma ferramenta de múltiplos usos para pesquisas químicas e biológicas, sobretudo no desenvolvimento de novos medicamentos, os cientistas afirmam que sua forma especial de dar nós na luz poderá ser usada na geração de energia por fusão nuclear.

Armadilhas ópticas holográficas

Ao contrário de um feixe de laser comum, que foca um ponto, os feixes holográficos manipulam a luz para formar padrões brilhantes difusos, parecidos com aqueles que se pode ver no fundo de uma piscina, que apresentam variações de brilho em seu contorno, em vez do brilho homogêneo do foco do laser.

David Grier e Elisabeth Shanblatt usaram uma tela de cristal líquido modificada para "imprimir" um padrão preciso de alterações de fase sobre as ondas de luz. Quando passam por uma lente, em vez de se dirigem a um foco único, as ondas formam curvas 3D que cruzam sobre si mesmas para formar um nó.

Isto é possível porque, como fazem parte de um holograma, essas curvas de luz retêm uma estrutura 3D, o que permite que elas sejam cruzadas para formarem nós.

Um feixe de laser é marcado com um holograma na entrada de uma lente de grande aumento. O holograma é projetado através do plano focal da objetiva e "focalizado" ao longo de uma curva 3D.
[Imagem: Optics Express]

Campos de força

As variações na intensidade no nó de luz produzem forças que empurram pequenos objetos em direção às regiões mais brilhantes.

Isto permite que essas armadilhas ópticas holográficas sejam usadas para confinar e manipular tais pequenos objetos - de alguns poucos nanômetros até vários micrômetros - nos eixos x, y e z.

Ou seja, em termos práticos, os hologramas em nó são campos de força que podem ser precisamente controlados.

Isto pode ser útil tanto para movimentar células biológicas no interior dos minúsculos canais de um biochip, quanto para mover partículas suspensas por campos magnéticos.

Mas pode ser usado também para criar fluxos de partículas eletricamente carregadas no interior de plasmas de alta temperatura - um objetivo longamente sonhado pelos físicos que tentam controlar a fusão atômica para geração de energia.

Como a fusão atômica funciona

Os reatores de fusão deverão funcionar disparando núcleos atômicos leves uns contra os outros em velocidades tão grandes que esses núcleos se fundirão para formar elementos químicos mais pesados.

Nesse processo, uma quantidade enorme de energia é liberada na forma de nêutrons quentes.

A melhor forma para fazer isso, explica Grier, é aquecer os átomos leves até uma temperatura alta o suficiente para que sua energia cinética possa superar qualquer barreira à fusão durante as colisões aleatórias.

Nessas temperaturas, os elétrons dos átomos se ionizam, formando um plasma, o chamado quarto estado da matéria. Esse plasma pode ser ainda mais aquecido fazendo com que correntes elétricas muito fortes o atravessem.

Esta imagem mostra dois anéis entrelaçados de luz (à esquerda) e os mesmos anéis sendo utilizados para movimentar uma série de esferas de sílica (à direita).
[Imagem: Optics Express]

É possível manipular essas correntes com campos magnéticos para conter o plasma quente, continua Grier, impedindo que ele destrua seu invólucro físico.

O problema é que essas correntes fluindo através do plasma se tornam instáveis, fazendo com que a temperatura caia e impedindo a geração de uma quantidade útil de energia.

"Se as correntes no plasma forem trançadas na forma de um nó, o nó pode eliminar, senão todas, a maioria dessas instabilidades porque as linhas do campo magnético geradas pela corrente amarrada não vão cruzar umas com as outras," defende Grier.

Para provar que isso é viável, será necessário projetar um campo de força óptico devidamente amarrado em um plasma e verificar se esse campo consegue dirigir os elétrons em seu interior.

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