Nome do Projeto
Modelagem e Simulação Multiescala em Plasmas
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
04/01/2022 - 04/01/2026
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Propomos uma investigação focada na compreensão do papel dos processos cinéticos na regulação e determinação da forma da distribuição de velocidades de partículas no vento solar. Há evidência experimental in situ, e.g., espectrômetro de elétrons dos satélites Helios, ACE, Wind e Cluster, e observações remotas, de que o vento solar é um meio tênue, não uniforme, multicomponente que exibe efeitos cinéticos tais como colisões Coulombianas na baixa corona solar e turbulência/atividade de ondas eletromagnéticas em maiores distâncias a partir do Sol. Consequentemente, uma abordagem cinética é geralmente requerida para uma descrição completa dos fenômenos do vento solar, já que os efeitos cinéticos dos macro e microprocessos produzem desvios significativos do equilíbrio termodinâmico local, como sinalizado pela ocorrência de partículas supertérmicas. Neste sentido, questões fundamentais sobre a natureza dos processos cinéticos que regulam e moldam essas distribuições permanecem controversas e sem resposta. O problema central é compreender as propriedades de transporte do vento solar fracamente colisional (e sua conexão com a corona solar), o que requer a consideração de múltiplas escalas, inomogeneidade espacial e variabilidade temporal. Devido à baixa colisionalidade, há uma influência duradoura (“memória”) das condições da corona nas características interplanetárias do vento solar. Assim, medidas in situ permitem inferências e provêm um tipo de diagnóstico remoto do plasma coronal. Ao mesmo tempo, devido aos onipresentes efeitos da atividade de ondas eletromagnéticas e turbulência na heliosfera interior, o plasma do vento solar está sujeito a processos lineares e não lineares que convertem a energia das ondas em energia cinética das partículas que regula e molda a distribuição de partículas no vento solar.
Adicionalmente, propomos investigar o papel dos processos magnetohidrodinâmicos no equilíbrio e na dinâmica de plasmas artificiais confinados, em particular os destinados à fusão nuclear controlada. É necessário determinar como um campo magnético pode produzir forças, de maneira a manter o plasma em equilíbrio estável, permitindo que reações de fusão aconteçam em um modo de operação contínuo. O funcionamento de dispositivos de fusão apresenta como desafios um amplo conjunto de instabilidades, a necessidade de um balanço energético favorável, uma inicialização do plasma eficiente, a necessidade de processos de aquecimento não ohmico adicionais, entre outros. A dificuldade histórica em alcançar um dispositivo gerador de energia por fusão indica que várias dessas questões fundamentais envolvidas no confinamento de plasmas permanecem em aberto.
Objetivo Geral
O presente projeto tem como objetivo fundamental determinar o comportamento de sistemas de plasmas, naturais ou artificiais, em diferentes escalas temporais e espaciais. Pretende-se desenvolver o trabalho através principalmente do referencial teórico encontrado na teoria cinética de plasmas e na teoria da magnetohidrodinâmica, e através da utilização de simulações computacionais. Os resultados serão direcionados para ampliar o entendimento acerca da formação, aceleração e propagação do vento solar e sua interação com a magnetosfera terrestre, bem como da inicialização, dinâmica e equilíbrio de plasmas confinados.
Justificativa
O projeto aqui proposto é de interesse corrente da comunidade científica. Especificamente, a aplicação da pesquisa proposta tem algumas ramificações principais. Primeiro, está sendo correntemente buscada a determinação de modelos capazes de fazer previsão de tempo espacial (space weather). Isso é relevante no que diz respeito à proteção de satélites, cintilação ionosférica e a futuras missões espaciais tripuladas. Segundo, há missões espaciais, como NASA - Parker Solar Probe, que orbitam o Sol, inclusive em regiões nunca antes exploradas in situ. Em ambos os casos, o conhecimento da distribuição de partículas na região explorada é crucial. Para a previsão de tempo espacial, contribui no desenvolvimento de modelos de previsão mais precisos, e soma à compreensão geral dos efeitos do Sol sobre a Terra. Para as missões de satélites e sondas, provê uma referência para as condições locais encontradas pelo satélite e guia a interpretação dos dados coletados.
Por sua vez, o estudo de dispositivos de confinamento de plasma destinados à fusão nuclear controlada é de interesse premente devido ao seu potencial como fonte de energia. A viabilidade do funcionamento de um reator de fusão nuclear em que há balanço positivo de energia proveria uma fonte de energia essencialmente ilimitada. Alcançar um reator de fusão nuclear funcional se mostra, ao longo de décadas de pesquisas, uma tarefa extremamente complexa. Neste sentido, o estudo dos processos físicos envolvidos na formação do plasma, na sua dinâmica e equilíbrio são fundamentais para a viabilização de um reator de fusão. Alinhado ao esforço para produção de energia de fusão está o projeto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), que desponta como capaz de fornecer uma prova de conceito que poderá dar origem à primeira planta produtora de energia por fusão nuclear, o que requer um massivo esforço de pesquisa científica.
Por sua vez, o estudo de dispositivos de confinamento de plasma destinados à fusão nuclear controlada é de interesse premente devido ao seu potencial como fonte de energia. A viabilidade do funcionamento de um reator de fusão nuclear em que há balanço positivo de energia proveria uma fonte de energia essencialmente ilimitada. Alcançar um reator de fusão nuclear funcional se mostra, ao longo de décadas de pesquisas, uma tarefa extremamente complexa. Neste sentido, o estudo dos processos físicos envolvidos na formação do plasma, na sua dinâmica e equilíbrio são fundamentais para a viabilização de um reator de fusão. Alinhado ao esforço para produção de energia de fusão está o projeto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), que desponta como capaz de fornecer uma prova de conceito que poderá dar origem à primeira planta produtora de energia por fusão nuclear, o que requer um massivo esforço de pesquisa científica.
Metodologia
Os resultados do presente projeto serão buscados com a utilização de modelagem matemática de sistemas físicos e de simulações computacionais desses sistemas. As diferentes escalas temporais e espaciais envolvidas nos sistemas em estudo serão abordadas principalmente com a teoria da magnetohidrodinâmica e a teoria cinética de plasmas, tanto de forma individual como de forma conjunta, em uma abordagem híbrida.
A teoria cinética de plasmas tem como base a evolução da distribuição de velocidades das partículas, regida pela equação de Boltzmann e sujeita a forças de origem eletromagnética. Neste sentido, a teoria cinética provê uma informação detalhada sobre o estado do sistema, ao custo de requerer um elevado número de variáveis para a respectiva descrição.
De sua parte, a teoria da magnetohidrodinâmica é construída a partir de momentos da equação de Boltzmann e, assim, provê uma informação promediada sobre o sistema, ao mesmo tempo em que requer um menor número de variáveis para a respectiva descrição do estado do sistema. A teoria da magnetohidrodinâmica produz uma hierarquia de equações, onde a redução do número de variáveis é alcançada através de um modelo para o fechamento do sistema de equações. Dessa forma, as duas abordagens podem ser utilizadas de maneira complemetar para revelar os aspectos do sistema de estudo em diferentes escalas.
A teoria cinética de plasmas tem como base a evolução da distribuição de velocidades das partículas, regida pela equação de Boltzmann e sujeita a forças de origem eletromagnética. Neste sentido, a teoria cinética provê uma informação detalhada sobre o estado do sistema, ao custo de requerer um elevado número de variáveis para a respectiva descrição.
De sua parte, a teoria da magnetohidrodinâmica é construída a partir de momentos da equação de Boltzmann e, assim, provê uma informação promediada sobre o sistema, ao mesmo tempo em que requer um menor número de variáveis para a respectiva descrição do estado do sistema. A teoria da magnetohidrodinâmica produz uma hierarquia de equações, onde a redução do número de variáveis é alcançada através de um modelo para o fechamento do sistema de equações. Dessa forma, as duas abordagens podem ser utilizadas de maneira complemetar para revelar os aspectos do sistema de estudo em diferentes escalas.
Indicadores, Metas e Resultados
Ao final do projeto, espera-se ter contribuído para a ampliação do conhecimento acerca do comportamento multiescala de plasmas naturais e confinados. Os resultados obtidos deverão ser disseminados através da publicação de artigos científicos em periódicos indexados e da participação em congressos científicos. Ao longo do projeto pretende-se ter o engajamento de discentes de graduação e pós-graduação.
Equipe do Projeto
| Nome | CH Semanal | Data inicial | Data final |
|---|---|---|---|
| BERNARDO PINTO SILVEIRA | |||
| JOEL PAVAN | 20 | ||
| JONATHAN RIBEIRO AVILA | |||
| JULIA PACHECO NUNEZ | |||
| Luís Felipe Eslabão Maescki |