Aceleradores melhores para produzir quilogramas de isótopos para propulsão de espaço rápido

Há tecnologia sendo aperfeiçoada para tornar os aceleradores de partículas 100-1000 vezes mais custos. Isso permitiria a produção de material nuclear para propulsão espacial que poderia atingir até 0,5% da velocidade da luz ou mais. Os cientistas da DESY agora relatam alguns dos primeiros sinais de que a PWA (plasma wakefield aceleradores) está pronta para competir com os aceleradores tradicionais com baixas energias. A PWA tem o potencial de miniaturizar radicalmente aceleradores de partículas. As ondas plasmáticas são geradas quando um pulso de laser ou feixe de partículas passa através de um capilar cheio de hidrogênio milímetros de comprimento, deslocando os elétrons e criando uma vigília de regiões de carga positiva e negativa alternadas por trás dela. O processo é semelhante a Flotsam e Jetsam sendo acelerado após uma lancha, e o plasma “Wakefields” pode ser milhares de vezes mais forte que os campos elétricos nos aceleradores convencionais, permitindo que partículas ganhem centenas de MEV em apenas alguns milímetros. Mas a qualidade e a intensidade do feixe são desafios significativos em limites tão estreitos. Uma equipe do experimento Lux em Desy e da Universidade de Hamburgo demonstrou, pela primeira vez, um sistema de correção de dois estágios para reduzir drasticamente a propagação energética dos feixes de elétrons acelerados. O primeiro estágio se estende a extensão longitudinal do feixe de alguns femtossegundos a vários picossegundos usando uma série de quatro ímãs de flexão em zigue -zague chamada chicana magnética. Em seguida, uma cavidade de radiofrequência reduz a variação de energia para menos de 0,1%, alinhando a qualidade do feixe com os aceleradores convencionais. A produção de vigas de alta qualidade é apenas metade da batalha. Para tornar a PWA acionada por laser uma proposta prática, os cachos devem ser acelerados não apenas uma vez um segundo, como no Lux, mas centenas ou milhares de vezes por segundo. Isso agora foi demonstrado pela Kaldera, o novo sistema de laser de alta potência da Desy. Com exceção do experimento acordado do CERN (CERN Courier May/Junho de 2024 P25), quase todos os aceleradores de plasma-wakefield são projetados com aplicações médicas ou industriais em mente. As aplicações médicas são particularmente promissoras, pois exigem energias de feixe mais baixas e impõem restrições menos exigentes à qualidade do feixe. A tecnologia acordada promete preencher a lacuna entre os desenvolvimentos globais em pequenas escalas e possíveis coletores futuros de elétrons -fositrons. A primeira fase foi concluída em 2022. Os resultados provam que o Wakefields acionado por um grupo completo de prótons pode ter um tempo reproduzível e ajustável. Isso não é de todo uma demonstração trivial, uma vez que o experimento é baseado em uma instabilidade. O terceiro e último marco experimental para a execução 2 será substituir o plasma acelerador de 10 m de comprimento por uma fonte mais longa e obter ganhos de energia proporcionalmente maiores. O conceito de aceleração de despertar será essencialmente maduro para propor experimentos de física de partículas, por exemplo, com cachos de mais ou menos 50 elétrons Gev. A colaboração acordada do CERN publicou um roteiro recente e recente de atualização de projetos em 2025, mostrando um plano claro para demonstrar aceleração de grupo de elétrons injetados externamente para energias multi-gev até 2031 com uma tecnologia de aceleração plasmática escalável. Isso inclui desenvolvimentos de fontes de plasma escaláveis até dezenas de metros e esforços para manter a qualidade do feixe adequada para aplicações de física de partículas. A partir do deslocamento longo 3 do CERN (LS3), em uma primeira fase de aproximadamente dois anos, o ganho de energia e a qualidade do grupo (carga, emissão, energia e propagação de energia relativa) serão otimizados tanto com a semeadura de rif e elétrons no auto-modulador. Essas experiências serão realizadas com um plasma acelerador de 10 m de comprimento em uma fonte de vapor de rubidium ionizada a laser após o plasma auto-modulador. Na segunda fase, nos dois anos seguintes (∼2032-2033), a segunda fonte de plasma será substituída por uma fonte escalável de descarga ou helicon, provavelmente com 20 m de comprimento, para demonstrar a escalabilidade no comprimento da fonte e do ganho de energia, ainda com um grupo acelerado de boa qualidade. Ganhos de energia muito maiores (50 a 200 GeV) devem ser possíveis por “simplesmente” aumentando o comprimento da fonte do acelerador. Tecnologias avançadas do acelerador reduzindo o custo dos aceleradores para aplicações específicas como a produção de isótopos TFINER-que envolve a produção de isótopos em larga escala de californium-254 ou urânio-232 para propulsão espacial. Lowering costs for isotope production in quantities of kilograms through plasma accelerators would depend on achieving: High repetition rate, continuous operation Robust, industrial-scale plasma sources Reliable beam quality and control for isotope production efficiency Energy efficiencies to reduce operational costs While current 2025 roadmaps like AWAKE’s focus on particle physics applications, the technology’s scalable and compact nature strongly supports the prospect that improved plasma Ou os aceleradores a laser Wakefield poderiam reduzir substancialmente o custo e a pegada dos aceleradores necessários para a produção especializada em isótopos em larga escala até 2030. No Lawrence Berkeley National Laboratory, os pesquisadores demonstraram uma produção aprimorada de populações de isômeros nucleares usando vigas de elétrons de ultrafast a partir de aceleradores de laser-plásma. Este método é promissor para produzir isótopos específicos, como o plutônio-238 (uma fonte de energia da espaçonave vital), induzindo a decaimento de isótopos como o AmeriCium-242m. As tecnologias emergentes do acelerador podem reduzir significativamente os custos para produzir isótopos de TFINER (incluindo linhas de base e alternativas como o U-232), permitindo a produção compacta, eficiente e multiótopo. Os métodos tradicionais dependem de grandes reatores (por exemplo, HFIR, operações de US $ 50-100 milhões/ano) ou LINACs, mas novas abordagens se concentram na compactação, rendimentos mais altos e menor uso de energia. Desenvolvimentos-chave de 2024-2025 Aceleradores de Wakefield plasmáticos (PWFA/LWFA): Os aceleradores de plasma acionados por laser criam campos GV/M em plasmas de escala CM em escala CM, acelerando os elétrons/prótons ~ 100-1.000x mais rápidos e mais rápidos. Os sistemas compactos (em escala de mesa) podem reduzir custos de construção de US $ 500 milhões a US $ 2B (LINAC tradicional) para US $ 10-100 milhões, com repetição de 10 Hz para rendimentos altos. 2024 Os avanços incluem LWFA otimizado com bayesiano para vigas estáveis, direcionando a produção de isótopos. Sistemas personalizados de Klystron/modulador de Nusano: Milestone alcançado em 2024 para produção simultânea de até 12 isótopos (por exemplo, medicina + relevante de TFINER como AC-227) em uma execução, usando linacs de pulsação rápida. Reduz os custos em ~ 30-50% por eficiência e multiplexação. Geradores de nêutrons Shine/Phoenix: aceleradores compactos avançados para MO-99 (baseado em fissão), extensível aos actinídeos. Ciclotrons/Linacs de baixa energia custos de corte vs. reatores. Essas tecnologias podem viabilizar a produção em escala KG em US $ 100-500m (vs. bilhões), especialmente para U-232 ou linhas de base, até 2030-2035. Os aceleradores dedicados mais tradicionais estariam na faixa de US $ 6 bilhões para produzir as quantidades de 30 kg de isótopos necessários para a propulsão nuclear de Tfiner. Brian Wang é um líder de pensamento futurista e um blogueiro de ciências popular com 1 milhão de leitores por mês. Seu blog NextBigfuture.com está classificado como #1 Blog de notícias de ciências. Abrange muitas tecnologias e tendências disruptivas, incluindo espaço, robótica, inteligência artificial, medicina, biotecnologia antienvelhecimento e nanotecnologia. Conhecida por identificar tecnologias de ponta, ele atualmente é co-fundador de uma startup e angariador de fundos para empresas em estágio inicial de alto potencial. Ele é o chefe de pesquisa de alocações para investimentos em tecnologia profunda e um investidor anjo da Space Angels. Um orador frequente das empresas, ele foi um orador do TEDX, um orador da Universidade de Singularidade e convidado em inúmeras entrevistas para rádio e podcasts. Ele está aberto a falar em público e aconselhar compromissos.

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