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Finalmente, o poder da energia de fusão pode ser liberado graças a uma nova atualização de física

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Finalmente, o poder da energia de fusão pode ser liberado graças a uma nova atualização de física

No mundo das energias renováveis, talvez não haja objetivo mais ambicioso do que a energia de fusão. Isso envolve a fusão de átomos de hidrogênio para formar hélio – um processo que gera uma quantidade inválida de energia como resultado. É uma reação que acontece a cada momento no sol, mas replicá-la na Terra é um processo tedioso e raro. No entanto, se formos bem-sucedidos, teremos acesso a uma fonte limpa de eletricidade renovável que atende às nossas crescentes necessidades energéticas.

Para isso, os pesquisadores estão perseguindo um fenômeno chamado “ignição”, que é quando um reator de fusão gera mais energia do que o necessário para criar a reação inicial. Algumas tentativas importantes estão em andamento para atingir esse objetivo, incluindo o Reator Experimental Termonuclear Internacional (ITER) na França. Esse esforço usa ímãs poderosos em uma máquina chamada tokamak para criar plasma superaquecido criado usando combustível de hidrogênio.

Mas aqui está o problema: há tanto combustível de hidrogênio que você pode colocar em um tokamak antes que tudo comece a dar errado.

“Uma das limitações na produção de plasma dentro de um tokamak é a quantidade de combustível de hidrogênio que você pode injetar nele”, disse Paolo Ricci, pesquisador do Swiss Plasma Center. Ele disse em um comunicado de imprensa. “Desde os primeiros dias da fusão, sabemos que se você tentar aumentar a densidade do combustível, em algum momento haverá o que chamamos de ‘turbulência’ – você basicamente perde completamente o aprisionamento, e o plasma vai para onde isto é.”

Para resolver esse problema, os cientistas começaram a procurar diferentes equações para medir a quantidade máxima de hidrogênio que você pode colocar dentro do tokamak antes da perturbação. Uma das leis que aderiu a ele e se tornou um pilar no mundo da pesquisa de fusão é conhecida como “Limite de Greenwald”, que afirma que a quantidade de combustível que um tokamak pode usar está diretamente relacionada ao raio da máquina. Os pesquisadores por trás do ITER até construíram seus dispositivos com base nessa lei.

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Mas, mesmo o limite de Greenwald não era perfeito.

“O limite de Greenwald é o que chamamos de lei ou limite ‘experimental’, o que basicamente significa que é como uma regra geral baseada em observações feitas em experimentos anteriores”, disse Alex Zelstra, físico experimental do Lawrence Livermore National Laboratory, na Califórnia. Besta Diária em uma carta. “Eles são muito úteis, mas sempre precisamos ter cuidado ao aplicá-los fora das circunstâncias em que temos dados de ensaios”.

É por isso que Ritchie e sua equipe desafiaram essa firme crença na novo papel Publicado em 6 de maio na revista Cartas de revisão física. Nele, eles levantaram a hipótese de que o limite de Greenwald poderia de fato ser aumentado em quase o dobro – quase o dobro da quantidade de combustível de hidrogênio que entraria em um tokamak para produzir plasma. Suas descobertas podem lançar as bases para futuros reatores de fusão como o DEMO – um sucessor do reator ITER atualmente em desenvolvimento – para finalmente alcançar a ignição.

“Isso é importante porque mostra que a intensidade que você pode alcançar em um tokamak aumenta com a potência necessária para executá-lo”, disse Ritchie. “Na verdade, o DEMO operará com uma potência muito maior do que os tokamaks atuais e o ITER, o que significa que você pode adicionar mais densidade de combustível sem reduzir a produção, ao contrário da Lei de Greenwald. E isso é uma notícia muito boa.”

Zylstra acha que a descoberta da equipe é importante porque esclarece por que os reatores de fusão também têm limites. Ele também afirma que projetos de tokamak como ITER ou DEMO podem ser “menos restritivos do que se pensava anteriormente”. Com a duplicação da densidade do combustível, isso pode melhorar drasticamente a potência do tokamak – e finalmente nos fazer acender.

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“A fusão é um problema muito desafiador – tanto cientificamente quanto tecnologicamente falando, e tornar o poder da fusão uma realidade requer muitos avanços passo a passo de cada vez”, acrescentou Zilstra. “Se este estudo for validado ainda mais, especialmente em máquinas como o ITER, certamente ajudará a comunidade de fusão magnética a projetar e melhorar projetos futuros para instalações experimentais e geração de energia”.

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Daily Telescope: Observando um remanescente de supernova de 800 anos

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Daily Telescope: Observando um remanescente de supernova de 800 anos
Mais Zoom / Imagem composta de SNR 1181.

NASA, ESA, JPL e outros. o.

Bem-vindo ao Telescópio Diário. Há muito pouca escuridão neste mundo e pouca luz, muito pouca pseudociência e pouca ciência. Deixaremos que as outras postagens forneçam seu horóscopo diário. Na Ars Technica faremos um caminho diferente, inspirando-nos em imagens muito reais de um universo repleto de estrelas e maravilhas.

Bom dia. É 28 de março e a imagem de hoje vem do Observatório de Raios-X Chandra da NASA, bem como de uma série de outros observatórios.

É uma imagem composta do remanescente de supernova SNR 1181. O nome do objeto nos dá uma pista de quando este objeto se tornou uma supernova: o ano de 1181. Durante cerca de meio ano, a “nova” estrela apareceu na constelação de Cassiopeia. Demorou muito até que os astrónomos, utilizando telescópios modernos, conseguissem encontrar os restos desta supernova, mas finalmente conseguiram na última década.

Esta imagem combina comprimentos de onda de raios X, ópticos e infravermelhos para dar vida aos restos mortais. Ao fazer isso, os astrônomos conseguiram descobrir o que causou a supernova. Aparentemente foi uma quantidade incrível de espionagem astronômica:

Estudos da composição das várias partes do remanescente levaram os cientistas a acreditar que ele foi formado em uma explosão termonuclear, mais precisamente, um tipo especial de supernova denominado evento subluminoso Tipo Iax. Durante este evento, duas estrelas anãs brancas se fundiram, e normalmente não seriam esperados vestígios deste tipo de explosão. Mas explosões incompletas podem deixar uma espécie de estrela “zumbi”, como a massiva estrela anã branca deste sistema. Esta estrela extremamente quente, uma das estrelas mais quentes da Via Láctea (cerca de 200.000 graus Celsius), tem ventos estelares rápidos de até 16.000 quilómetros por hora. A combinação de uma estrela e uma nebulosa torna esta uma oportunidade única para estudar explosões tão raras.

Aliás, o Observatório Chandra enfrenta severos cortes orçamentais, apesar de continuar a funcionar. Há um esforço para salvar O Grande Observatório.

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fonte: Observatório de raios X Chandra

Quer enviar uma foto para o Daily Telescope? Entre em contato conosco e diga olá.

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Como os sólitons distorcem o tempo, o espaço e as regras

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Como os sólitons distorcem o tempo, o espaço e as regras

Os sólitons topológicos, que são parte integrante de vários processos naturais e tecnológicos, estão a ser aproveitados através de interações não recíprocas para inovação na ciência dos materiais e na robótica, oferecendo novas possibilidades de locomoção autopropulsada e funcionalidade avançada. Crédito: SciTechDaily.com

Se anda como uma partícula e fala como uma partícula… provavelmente não é uma partícula. Um sóliton topológico é um tipo especial de onda ou deslocamento que se comporta como uma partícula: pode se mover, mas não pode se espalhar e desaparecer como seria de esperar, por exemplo, de uma ondulação na superfície de um lago. Em um novo estudo publicado em naturezaPesquisadores da Universidade de Amsterdã demonstraram o comportamento incomum de isolamentos topológicos em um metamaterial robótico, algo que poderá ser usado no futuro para controlar como os robôs se movem, sentem o que os rodeia e se comunicam.

Isolados topológicos podem ser encontrados em muitos lugares e em muitas escalas de comprimento diferentes. Por exemplo, eles assumem a forma de dobras Os fios telefônicos estão enrolados E moléculas grandes, como proteínas. Numa escala completamente diferente, A Buraco negro Pode ser entendido como um sóliton topológico na estrutura do espaço-tempo. Os solitons desempenham um papel importante nos sistemas biológicos, estando relacionados aos organismos vivos Dobramento de proteínas E Morfologia – Desenvolvimento de células ou órgãos.

As características únicas dos sólitons topológicos – que podem se mover, mas sempre mantêm sua forma e não podem desaparecer repentinamente – são particularmente interessantes quando combinadas com as chamadas interações não recíprocas. “Nesta interação, o fator A interage com o fator B de forma diferente da forma como o fator B interage com o fator A”, explica Jonas Veenstra, estudante de doutoramento na Universidade de Amesterdão e primeiro autor da nova publicação.

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“As interações não recíprocas são comuns na sociedade e nos sistemas vivos complexos, mas têm sido ignoradas há muito tempo pela maioria dos físicos porque só podem existir num sistema fora do equilíbrio”, continua Veenstra. Ao introduzir interações não recíprocas nos materiais, esperamos remover as fronteiras entre materiais e máquinas e criar materiais vivos ou semelhantes à vida.

O Laboratório de Materiais Automatizados onde Veenstra conduz suas pesquisas é especializado em design metamateriais: Materiais artificiais e sistemas robóticos que interagem com seu ambiente de forma programável. A equipa de investigação decidiu estudar a interação entre interações não recíprocas e isolamentos topológicos há quase dois anos, quando os estudantes Anahita Sarvi e Chris Ventura Minnersen decidiram prosseguir o seu projeto de investigação para o curso de mestrado “Habilidades Académicas para Investigação”.

Soluções robóticas de metamateriais

O metamaterial robótico soliton e anti-soliton fica na fronteira entre as seções inclinadas para a esquerda e para a direita da cadeia. Cada haste azul é conectada às suas vizinhas com elásticos rosa, e há um pequeno motor sob cada haste que torna as interações entre as hastes adjacentes não recíprocas. Crédito: Jonas Veenstra/UvA

Soliton se move como um dominó

O metamaterial hospedeiro soliton desenvolvido pelos pesquisadores consiste em uma série de hastes rotativas ligadas entre si por faixas elásticas – veja a figura abaixo. Cada haste é montada em um pequeno motor que aplica uma pequena força à haste, dependendo de como ela está orientada em relação aos vizinhos. Mais importante ainda, a força aplicada depende de qual lado o vizinho está, tornando as interações entre as barras adjacentes não recíprocas. Finalmente, os ímãs nas barras são atraídos por ímãs colocados próximos à corrente, de modo que cada barra tenha duas posições preferidas, giradas para a esquerda ou para a direita.

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Os isolados encontrados neste metamaterial são os locais onde as partes giratórias esquerda e direita da cadeia se encontram. Limites complementares entre seções de cordas giradas para a direita e para a esquerda são chamados de antisólitons. Isso é semelhante às torções nos fios telefônicos enrolados à moda antiga, onde seções de fio que giram no sentido horário e anti-horário se encontram.

Quando os motores em série são desligados, os sólitons e contra-solidões podem ser acionados manualmente em qualquer direção. No entanto, uma vez que os motores – e, portanto, as interações mútuas – são acionados – os sólitons e anti-sólons deslizam automaticamente ao longo da cadeia. Ambos se movem na mesma direção, a uma velocidade determinada pela propriedade de não reciprocidade imposta pelos motores.

Feenstra: “Muitas pesquisas se concentraram em mover sólitons topológicos aplicando forças externas. Nos sistemas estudados até agora, descobriu-se que sólitons e anti-solitons se movem naturalmente em direções opostas. No entanto, se você quiser controlar o comportamento de (anti-sólitons) -solitons) ), você pode querer empurrá-los na mesma direção. Descobrimos que as interações não recíprocas conseguem exatamente isso. As forças não recíprocas são proporcionais ao spin gerado pelo soliton, de modo que cada soliton gera seu próprio força motriz.

O movimento dos sólitons é como a queda de uma série de dominós, cada um derrubando o outro. No entanto, ao contrário do dominó, as interações não recíprocas garantem que a “derrubada” só possa acontecer numa direção. Embora um dominó só possa cair uma vez, um sóliton movendo-se ao longo do metamaterial simplesmente configura a corrente para que o anti-sóliton se mova através dele na mesma direção. Em outras palavras, qualquer número de isolados e anti-isolados pode passar pela cadeia sem precisar ser “reinicializado”.

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Controle de movimento

Compreender o papel do impulso não recíproco não só nos ajudará a compreender melhor o comportamento dos sólitons topológicos em sistemas vivos, mas também poderá levar a avanços tecnológicos. O mecanismo que gera os sólitons autônomos unidirecionais revelados neste estudo poderia ser usado para controlar o movimento de diferentes tipos de ondas (conhecido como direção de ondas) ou para fornecer ao metamaterial uma capacidade básica de processamento de informações, como a filtragem.

Os robôs futuros também poderiam usar silos topológicos para funções robóticas básicas, como movimento, sinalização e detecção do ambiente. Estas funções não serão mais controladas a partir de um ponto central, mas surgirão da soma das partes ativas do robô.

No geral, o efeito dominó dos sólitons em materiais sintéticos, agora uma observação interessante em laboratório, poderá em breve começar a desempenhar um papel em vários ramos da engenharia e do design.

Referência: “Sólitons topológicos não recíprocos em metamateriais ativos” por Jonas Veenstra, Oleksandr Gamayon, Xiaofei Guo, Anahita Sarvi, Chris Ventura Meinersen e Corentin Collet, 20 de março de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07097-6

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Uma análise antecipada das previsões de cobertura de nuvens para o eclipse solar

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Comecemos pelo princípio: você não obterá nada aqui que se assemelhe a uma previsão de nuvem confiável de alguns minutos daqui a 12 dias. Mas se você planeja ver o eclipse solar total em 8 de abril, especialmente planos de viagem, achamos que você está desesperado o suficiente para continuar lendo.

Com toda a seriedade, há algumas coisas que podemos dizer sobre as previsões iniciais daquele dia, e algumas coisas que vale a pena aprender antes de começar a verificar obsessivamente as previsões todos os dias, várias vezes ao dia, se ainda não o fez.

Por que as nuvens são tão difíceis de prever?

As nuvens são um dos fatores climáticos mais difíceis de prever, mesmo com apenas alguns dias de antecedência, quanto mais com mais de 10 dias de antecedência.

Não são apenas os grandes sistemas de tempestades que produzem uma cobertura generalizada de nuvens. Estas nuvens são relativamente fáceis de prever, especialmente dentro de alguns dias. Distúrbios menores e mais fracos na atmosfera também podem gerar nuvens, mesmo quando não contêm umidade suficiente para a precipitação. Enquanto isso, o céu pode passar de completamente nublado a completamente limpo a apenas 80 quilômetros de uma frente meteorológica, enquanto as previsões do modelo sobre a localização da frente podem estar erradas duas vezes mais com um ou dois dias de antecedência.

O desafio é que a cobertura de nuvens muitas vezes depende de processos que ocorrem em escalas muito pequenas na atmosfera, pequenas o suficiente para que os modelos não tenham dados detalhados suficientes para resolvê-los com precisão.

Por que preciso saber o que é uma “banda”?

Geralmente tentamos manter o jargão técnico ao mínimo. No entanto, para aqueles que investiram nestas previsões, é útil saber o que é um “grupo” e porque é que é importante.

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Existem dois tipos principais de modelos de previsão: determinísticos e conjuntos.

O modelo determinístico é a previsão que você está acostumado a ver. São previsões com uma única solução: a temperatura será X, a chance de precipitação será Y e a cobertura de nuvens será Z. Essas previsões geralmente são mais precisas com dois ou três dias de antecedência.

Para previsões com vários dias a cerca de duas semanas de antecedência, a maioria dos meteorologistas prefere observar os aglomerados. Estas são essencialmente múltiplas execuções de previsões determinísticas. Em cada execução ou simulação, as observações meteorológicas brutas inseridas nos modelos são ligeiramente modificadas para representar imperfeições tanto nas observações quanto nos próprios modelos. Ao analisar semelhanças e diferenças entre múltiplas simulações, os meteorologistas podem ter uma ideia melhor do alcance e das probabilidades dos possíveis resultados climáticos e da confiança geral na previsão.

Quais são as previsões inevitáveis ​​para 8 de abril?

A imagem acima é um modelo de previsão determinística para o meio-dia de 8 de abril. Ele mostra muitas nuvens em grande parte do caminho da totalidade, a faixa de aproximadamente 185 quilômetros de largura que se estende pelos Estados Unidos, do Texas ao Maine. Pode ser completamente verdade ou pode estar completamente errado. São dias demais para basear qualquer coisa em expectativas determinísticas.

O que mostra é semelhante à climatologia – ou condições médias de nuvens para esta época do ano – com céus mais claros no Texas e aumento de nuvens no Nordeste. No entanto, também existem bolsões de céu limpo no Nordeste, associados a uma área prevista de alta pressão próxima, na costa leste.

Quais grupos aparecem?

A imagem acima mostra uma previsão coletiva da pressão atmosférica, usando a pressão média prevista em 30 simulações do Sistema de Modelagem dos EUA. Em geral, as áreas de baixa pressão – mostradas em tons de azul – tendem a ser mais nubladas, enquanto as áreas de alta pressão – mostradas em amarelo e laranja – tendem a ser mais brilhantes.

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Um bom número de simulações individuais indica pressão mais baixa e, portanto, céus mais nublados em grande parte do percurso geral. Há alguns que indicam pressão mais alta e céus mais claros nas partes leste ou nordeste do caminho da totalidade, mas ainda mostram pressão mais baixa movendo-se para as partes ocidentais do caminho da totalidade, especialmente áreas do norte do Texas.

A previsão da cobertura de nuvens mostrada no início deste artigo indica que a área de baixa pressão está suficientemente longe ao norte do Texas para que a cobertura de nuvens possa ser limitada se a simulação da localização da baixa estiver correta.

É claro que não só a confiança na presença e localização dos sistemas meteorológicos é baixa, mas os modelos podem ser tão lentos ou tão rápidos como um ou dois dias em termos de como os sistemas irão progredir em todo o país.

XcartaUma startup de previsão do tempo com inteligência artificial lançou um projeto Rastreador de eclipse solar Fornecendo previsões de nuvens ao longo do caminho do eclipse.

A empresa é uma das várias empresas que desenvolveram modelos meteorológicos alimentados por IA, que fazem previsões aprendendo a reconhecer padrões em dados meteorológicos históricos, enquanto os modelos tradicionais processam equações matemáticas complexas que representam a física da atmosfera.

“Isso nos permite produzir previsões globais horárias altamente precisas em minutos, em vez de horas”, disse Vivek Ramavajala, CEO e fundador da Excarta, por e-mail. “Também podemos explorar a velocidade e o custo aprimorados para produzir conjuntos de previsões meteorológicas, que são cruciais para medir a incerteza das previsões daqui a alguns dias.”

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a Novo lançamento A empresa afirma que suas previsões podem ser 20% mais precisas do que os modelos tradicionais.

Abaixo estão as previsões atuais do modelo de IA para várias cidades no caminho da totalidade no momento do pico do eclipse:

  • Dallas: 53% de cobertura de nuvens (+/- 20% de incerteza).
  • Little Rock: 58% de cobertura de nuvens (+/- 15% de incerteza).
  • Indianápolis: 54 por cento de cobertura de nuvens (+/- 19 por cento de incerteza).
  • Cleveland: 55% de cobertura de nuvens (+/- 19% de incerteza).
  • Búfalo: 53 por cento de cobertura de nuvens (+/- 19 por cento de incerteza).
  • Burlington, Vermont: 47% de cobertura de nuvens (+/- 22% de incerteza).

(O número da incerteza significa, por exemplo, que se espera que Dallas tenha entre 33 e 73 por cento de cobertura de nuvens.)

A previsão é um ótimo começo para quem espera céu limpo? não exatamente. Mas ainda estamos a pelo menos vários dias de sermos capazes de levar a sério qualquer previsão de nuvens, e a confiança na previsão pode não ser terrivelmente elevada até apenas um ou dois dias antes de 8 de Abril.

O Washington Post lançará seu próprio software de rastreamento de previsão de nuvem de eclipses na sexta-feira, portanto, fique ligado.

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