Two-length spatial correlation function of turbulence in TCV

No coração de um reator de fusão, o gás superaquecido conhecido como plasma não fica parado. Ele agita-se e revolve com tempestades invisíveis, uma mistura caótica de redemoinhos giratórios e surtos repentinos que carregam calor e partículas para longe do centro. Esta turbulência é o principal obstáculo que separa os cientistas de uma fonte de energia limpa e ilimitada. Se o plasma vazar rápido demais, a reação arrefece e para. Durante décadas, os investigadores compreenderam que estas fugas ocorrem de duas formas distintas. A primeira é uma mistura lenta e local, como mexer uma chávena de café onde o calor se espalha gradualmente do centro quente para a extremidade mais fria. A segunda é muito mais dramática: um evento súbito de reação em cadeia, onde uma perturbação local desencadeia uma cascata de movimento que dispara energia por todo o plasma, tal como uma única peça de dominó a cair e derrubando uma longa linha de outras. Este segundo fenómeno, conhecido como avalanche, é difícil de captar no ato porque acontece rapidamente e abrange grandes distâncias.

Uma equipa de investigadores no Tokamak à Configuration Variable (TCV), na Suíça, analisou agora mais de perto estas tempestades invisíveis, procurando os sinais reveladores destas avalanches. Utilizando um sistema especializado semelhante a um radar, chamado retroespalhamento Doppler (Doppler backscattering), enviaram feixes de micro-ondas para o plasma para medir como a densidade do gás flutua. Ao rastrearem cuidadosamente como estas flutuações num ponto se relacionam com as de outro ponto, mapearam o tamanho das estruturas turbulentas. O seu trabalho revela que, em certas condições, a turbulência não tem apenas um tamanho. Em vez disso, apresenta dois escalões de comportamento distintos ao mesmo tempo. O primeiro é um tamanho pequeno e local, medindo aproximadamente três a cinco vezes a largura da trajetória de espiral de um único ião em torno de uma linha de campo magnético. O segundo é uma escala muito maior, estendendo-se de cinco a quinze vezes essa largura. Esta natureza dual sugere que, embora o plasma esteja constantemente a agitar-se em pequenos redemoinhos, é também ocasionalmente pontuado por estes eventos maiores, do tipo avalanche, que transportam energia ao longo de distâncias significativas.

Para compreender o que encontraram, é necessário primeiro compreender como observaram. Os investigadores utilizaram uma ferramenta de diagnóstico que dispara dois feixes de micro-ondas para o plasma, da mesma direção, mas em frequências ligeiramente diferentes. Um feixe permanece fixo num ponto específico, atuando como referência, enquanto o outro se desloca para diferentes locais próximos. Ao compararem os sinais destes dois feixes, a equipa conseguiu calcular o quão correlacionada é a turbulência ao longo da distância. Se a turbulência num ponto se parece exatamente com a turbulência a alguns centímetros de distância, a correlação é alta. À medida que a distância aumenta, a correlação geralmente diminui. Em muitas das suas medições, este declínio seguiu uma curva única e suave, indicando um tamanho uniforme para as estruturas turbulentas. No entanto, em cerca de metade dos casos, a curva mudou de forma. Ela descia rapidamente no início, correspondendo aos pequenos redemoinhos, e depois estabilizava numa segunda queda mais lenta. Esta segunda inclinação indicava a presença de estruturas muito maiores e mais extensas, que persistiam sobre uma área mais ampla.

Os investigadores foram cuidadosos para garantir que estas descobertas eram reais e não um artefacto do seu equipamento. Compararam os seus resultados com uma ferramenta de diagnóstico diferente chamada refletometria de pulso curto, que mede a turbulência de uma forma distinta. Os dois métodos concordaram razoavelmente bem quanto às estruturas de pequena escala, dando à equipa confiança nos seus dados. Também testaram o plasma sob diferentes condições de aquecimento, utilizando tanto feixes neutros como ondas de ciclo de eletrões para aquecer o gás. Descobriram que o tamanho dos pequenos redemoinhos locais permanecia razoavelmente consistente, mantendo-se tipicamente entre três e cinco vezes a largura da órbita de um ião, independentemente de quanta potência era adicionada. As estruturas de grande escala, no entanto, eram mais variáveis. Eram mais proeminentes perto da borda do plasma e tornavam-se mais significativas à medida que a potência de aquecimento aumentava.

Uma descoberta particularmente interessante surgiu quando os investigadores observaram a velocidade do fluxo do plasma. Em certas condições, o plasma desenvolve uma região estreita onde a velocidade do fluxo muda muito rapidamente, uma característica conhecida como camada de corte (shear layer). Quando a turbulência passava por esta região estreita e de mudança rápida, os investigadores observaram que tanto as estruturas pequenas como as grandes diminuíam significativamente. Os redemoinhos turbulentos eram esticados e despedaçados pelo corte, tornando-se menores e menos correlacionados. Este efeito foi mais pronunciado em plasmas aquecidos por ondas de ciclo de eletrões, onde a camada de corte era estreita e intensa. Em contraste, os plasmas aquecidos por feixes neutros tinham uma camada de corte mais larga, e as estruturas ali não eram tão fortemente reduzidas. Isto sugere que o próprio fluxo do plasma actua como um regulador, capaz de suprimir o tamanho da turbulência quando as condições são as adequadas.

Para confirmar que estes padrões de dois comprimentos estavam de facto ligados ao transporte por avalanche, a equipa recorreu a simulações computacionais. Executaram modelos do plasma que podiam produzir ou uma turbulência local constante ou avalanches súbitas e intermitentes. Nas simulações onde o transporte era dominado por avalanches, os investigadores aplicaram a mesma análise que utilizaram nos dados reais. Os resultados foram impressionantes: as avalanches simuladas produziram uma função de correlação com a exata assinatura de duas inclinações vista nos experimentos do TCV. A inclinação pequena correspondia ao tamanho dos redemoinhos locais, enquanto a inclinação longa e lenta correspondia ao tamanho dos eventos de avalanche. Este forte acordo entre as medições do mundo real e as simulações sugere que a segunda escala de comprimento observada no TCV é, de facto, a impressão digital destes eventos de transporte do tipo avalanche.

O estudo não afirma ter resolvido o mistério da turbulência do plasma, nem sugere que estas descobertas resolvam imediatamente os desafios de engenharia da construção de um reator de fusão. Os investigadores observam que as estruturas de grande escala que mediram no experimento são menores do que as observadas em algumas outras simulações, provavelmente porque a máquina TCV é fisicamente menor do que outros dispositivos, limitando o quão grande uma avalanche pode crescer antes de atingir a parede. Além disso, a ferramenta de diagnóstico que utilizaram está sintonizada para um tipo específico de onda, o que significa que as medições refletem uma fatia específica do espectro da turbulência, e não o quadro completo. No entanto, o trabalho fornece uma peça crucial do puzzle. Ao identificar uma assinatura clara e mensurável do transporte por avalanche, a equipa ofereceu uma nova forma de observar estes eventos elusivos a desenrolar-se. Isto abre a porta para futuros experiências para ver como estes surtos de grande escala se comportam sob diferentes condições, tais como com diferentes tipos de combustível ou pouco antes de o plasma transitar para um estado de alto desempenho. Compreender estes mecanismos é um passo necessário para domar o plasma e manter o calor onde ele é mais necessário.