Nome do Projeto
Pesquisas de fenômenos em plasmas
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
24/10/2022 - 23/10/2026
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Nesse projeto serão desenvolvidas atividades com foco na pesquisa de fenômenos em plasmas. O projeto contempla duas linhas básicas de pesquisas, plasmas espaciais e plasmas de tokamaks. Na linha de plasmas espaciais serão abordados fenômenos de reconexão magnética na magnetosfera terrestre, interação feixe plasmas e plasmas descritos por funções de distribuição de velocidades do tipo kappa. Na linha de plasmas de tokamaks serão realizados estudos do pacote METIS, recentemente obtido via convênio com o CEA - Cadarache FR. Cientificamente o pacote METIS será utilizado para adquirir e desenvolver técnicas de simulações integradas de experimentos tokamak, buscando formar inicialmente estudantes e pesquisadores que estarão aptos a simular descargas nos dispositivos existentes (ETE - INPE) com a utilização dos pacotes METIS, e que possam se envolver em estudos conceituais da nova máquina do Laboratório de Fusão Nacional - LFN. Dentro do projeto foi incluída uma ação de pesquisa relacionada os Trabalho de Conclusão de Curso de um estudante do bacharelado em física com foco na correção de sinais de GPS.

Objetivo Geral

De forma ampla, este projeto envolve ações de pesquisa de duas ações básicas de plasmas, com objetivos gerais independentes e uma ação envolvendo sistemas de GPS.
Na ação de plasmas especiais temos como objetivo compreender o processo de reconexão magnética na região da magnetosfera terrestre e fenômenos na área de clima espacial. Como base para o estudo serão utilizados os dados do sistema de satélites MMS/NASA.
A ação de fusão nuclear está relacionada ao estudado do código METIS, com o objetivo de aprender sobre o pacote, com foco na modelagem dos tokamaks existentes no Brasil, ETE e TCABR, e possível aplicações para o futuro tokamak do LFN.
A ação envolvendo sistemas de GPS tem como objetivo estudar as correções relativísticas que não necessárias para a manutenção do sincronismo e precisão dos sistemas GPS.

Justificativa

Na área de plasmas espaciais a reconexão magnética é um processo importante associado ao acoplamento do vento Solar com a magnetosfera Terrestre. Durante o processo de reconexão ocorre a transferência de energia do vento solar, massa e momento, para as regiões internas da magnetosfera. A reconexão ocorre em pontos específicos, chamados de pontos X, no qual as linhas de campo magnético se aproximam assintoticamente. Ao longo dos anos a reconexão magnética foi estudada em escala iônica e mais recentemente, com o advento dos satélites, vem sendo estudada também em escala eletrônica, em especial com o lançamento da missão Magnetospheric Multiscale – (MMS).

Estudos analíticos e simulações numéricas tem apresentado contribuições de destaque na compreensão do processo físico que envolve a reconexão magnética, entretanto, várias questões fundamentais permanecem em aberto. O grupo de definição científica e tecnológica do MMS identificou algumas questões, a saber:

1. Qual o processo cinético responsável pela reconexão magnética não colisional, e como a reconexão é inicializada?
2. Onde a reconexão ocorre na magnetopausa e na magnetotail, e o que está relacionado nessa ocorrência?
3. Como a reconexão varia com o tempo, e quais fatores influenciam nesse comportamento temporal?
4. A que taxa (como fração da velocidade de Alfvén) a reconexão ocorre, e como essa taxa é afetada pela composição de íons, plasma ou simetria magnética, entre outros fatores?

A importância em compreender o processo de reconexão está no fato de que reconexão magnética é quase que rotineiramente observada em limites de grande escala na magnetopausa e a magnetocauda da Terra. No entanto os detalhes físicos da reconexão, especialmente em escalas cinéticas, são em grande parte desconhecidas.

Os dados do cluster de satélites Magnetospheric Multiscale (MMS) serão utilizados uma vez que esse sistema capta o maior número possível de cruzamentos das partículas do vento solar na magnetopausa, permitindo uma investigação sob condições limites diferentes, sua órbita e configuração em formato tetraédrico, proporciona um estudo mais aprofundado dos locais de reconexão.

Na área de fusão nuclear, utilizaremos como parâmetros os dados do Experimento Tokamak Esférico – ETE, localizado no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. O ETE é um experimento de confinamento magnético que tem como objetivo explorar a física dos plasmas de baixa razão de aspecto (toroides compactos), e o estudo e desenvolvimento de diagnósticos de plasmas quentes. É um experimento complexo, que envolve desafios nas áreas de engenharia, física e computação. Na área de computação, os desafios passam pelo processo de aquisição de dados, implementação de novos diagnósticos, simulações numéricas para diferentes configurações de equilíbrio e controle do plasma, fenômenos de transporte, instabilidades, entre outras.
Algumas simulações numéricas compreendem modelagens integradas de plasmas tornando-se, assim, ferramentas essenciais para a condução de estudos de cenários e viabilidade técnica de descargas em tokamaks. Atualmente o INPE possui licença do pacote CRONOS, que está sendo reativado em colaboração com a UFPel. Este pacote tem estrutura modular e consiste numa ferramenta bastante complexa para simulação de plasmas termonucleares. O CRONOS foi colocado à disposição do INPE pelo Grupo de Trabalho Europeu de Modelação Integrada de Tokamaks, situado em Cadarache, França, e será utilizado em simulações de descargas em tokamaks, conjugadas a cálculos de transporte, inicialmente direcionadas ao ETE. Este pacote conta com módulos de injeção de feixe de partículas neutras de alta energia ou ainda injeção de radiofrequência, que possibilitam dar início ao processo de otimização dos parâmetros de um reator compacto num projeto conceitual. A UFPel também recebeu recentemente a transferência da licença do pacote METIS, junto ao Comissariado de Energia Atômica e Energias Alternativas – CEA Cadarache/França. O METIS é uma versão simplificada do pacote CRONOS capaz de realizar, da mesma forma, simulações integradas de plasmas de tokamak e que poderá auxiliar nas simulações de descargas nesse tipo de dispositivo.

Metodologia

Na ação de plasmas espaciais serão utilizados como base alguns eventos selecionados a partir da literatura específica, em especial os artigos disponíveis no site do sistema MMS - NASA. A partir dos eventos selecionados serão analisados os dados obtidos, que estão em domínio publico e acessíveis a partir do sítio da NASA.

Na ação de fusão serão realizadas simulação testes explorando o conjunto de parâmetros do pacote METIS, com base nos parâmetros físicos reais do experimento ETE - INPE. Em especial interessa-nos reproduzir um disparo real, uma vez que o pacote METIS permite essa possibilidade. Com o domínio do pacote, iremos, com parceria do grupo de plasmas do INPE, realizar testes de senário para o futuro tokamak do LFN.

Indicadores, Metas e Resultados

Criação e consolidação de uma rede colaborativa, com objetivos e metas comuns, cujo foco sejam as pesquisas utilizando parâmetros dos tokamaks existentes no Brasil.

Reativação do pacote CRONOS e retomada dos trabalhos utilizando inicialmente o referido pacote para simulações de descargas do ETE e TCABR, bem como instalação e treinamento do pacote METIS.

A longo prazo espera-se realizar estudos integrados das condições de plasma para a máquina intermediária do LFN.
Formação de estudantes e pesquisadores em simulações numéricas de vários aspectos fenomenológicos em máquinas tipo tokamak,,

Identificar eventos que caracterizam o processo de reconexão magnética na frente e cauda da magnetosfera.
Comparar as propriedade física desses eventos.
Concluir pelo menos um trabalho de TCC ao longo do período.

Estudar as propriedades e especificações da comunicação entre satélites de GPS.
Estudar as correções relativísticas e gravitacionais que devem ser realizadas para melhorar a precisão e sincronismo do sinal de GPS.
Concluir pelo menos um TCC ao longo do período.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
FERNANDO JAQUES RUIZ SIMOES JUNIOR34
Gerson Otto Ludwig
LAINE BENGO SOARES ROSALES
MAURICIO FONSECA RODRIGUES
Maria Célia Ramos de Andrade
NOELY ROSA MARIA PEREZ BRITO

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