"Es como un laboratorio secreto, en cierto modo", dice el joven piloto Hugo Ramírez, "un escondite secreto para genios locos".
Escondido a pocas cuadras de Albany Street, el Laboratorio de Nabisco en el Plasma Science and Fusion Center (PSFC) puede estar fuera de lo común en el campus, pero no es ningún secreto. Un antiguo almacén de galletas, ha albergado energía de fusión y experimentos astrofísicos durante décadas. Gire a la izquierda en el pasillo principal para encontrar el Laboratorio de Física de Alta Energía (HEDP), que este verano está apoyando la investigación fuera del sitio de Ramírez y otros tres estudiantes: Shaherul Haque, Bryan Sperry y Raymond Li.
El espacio de tres dormitorios, con su sala de control y su cámara acorazada, es un territorio inexplorado para algunos de esos estudiantes cuya experiencia con el laboratorio hasta ahora ha sido completamente Virtual. Afortunadamente, para navegar por sus proyectos de investigación de HEDP este verano, todo lo que necesitaban eran sus computadoras.
El laboratorio HEDP, bajo la dirección de la investigadora Maria Gatu Johnson, estudia la materia bajo estados de presión extrema (1 millón a 1 billón de veces la presión atmosférica en la superficie de la Tierra). La investigación en esta área es importante para comprender cómo se forman las estrellas, cómo se fabrican los elementos y cómo aprovechar la energía de fusión en la Tierra utilizando láseres para la fusión por confinamiento inercial (ICF). La energía láser se utiliza para comprimir cápsulas esféricas llenas de combustible a alta densidad y presión para generar reacciones de fusión con el propósito de combustión por fusión ("ignición") autosostenible y combustión. generacion de energia.
Trabajando en estrecha colaboración con el láser OMEGA de 30 kilojulios (60 haces) de la Universidad de Rochester y el láser de 2 megajulios (192 haces) de la National Ignition Facility (NIF), los investigadores y colaboradores de PSFC están destacando señalan instrumentos de diagnóstico especiales que permiten estudiar las variaciones espaciales y temporales de las propiedades del plasma y los campos electromagnéticos. El Centro de Excelencia de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía (DOE) del MIT está ayudando a financiar este trabajo.
Gatu Johnson, quien asesora a Bryan Sperry, señala que los proyectos en este laboratorio generalmente requerirían trabajo de laboratorio práctico.
“Tradicionalmente, hemos tenido UROP con más orientación experimental trabajando en proyectos con un componente de laboratorio acelerador”, dice, “pero este verano todos los proyectos están relacionados con el análisis de datos, la codificación o simulación, que funciona muy bien en el estado actual de salud. situación."
Aprenda en el trabajo
Sperry, quien comenzó su proyecto como estudiante de primer año en el otoño de 2019, había estado interesado en la fusión desde sexto grado, cuando decidió apoyar a la universidad. La energía nuclear en un debate escolar sobre las fuentes de energía futuras más viables.
"Mientras me concentraba en la fisión, también encontré algunos fragmentos deliciosos sobre la llamada 'energía del futuro': la fusión", dice. “Aunque perdí el debate en clase, gané una pasión. Fusion, y el PSFC en particular, es la razón por la que apliqué al MIT. "
Recuerda haberle dicho a Gatu Johnson durante su entrevista con el Programa de Oportunidades de Investigación de Pregrado (UROP) que aunque estaba muy interesado en la investigación en el centro, en realidad no tenía ninguna de las habilidades enumeradas en el especificaciones de trabajo.
Ella dijo: 'Está bien. Aprenderás en el trabajo. "¡Y lo hice!"
Estas habilidades ahora incluyen la actualización de software para medir partículas dispersas cuando una pequeña pastilla de deuterio y tritio es implosionada por láseres de alta energía en experimentos ICF en NIF y OMEGA. En este caso, se tuvo que ajustar un código escrito hace 14 años para interpretar las medidas del espectrómetro de retroceso magnético, un detector de deuterón. Le tomó más tiempo de lo esperado, lo que le obligó a aprender a programar en C ++ y a lidiar con innumerables mensajes de error.
Habiendo declarado recientemente una especialización en ciencia e ingeniería nucleares, algún día está considerando una experiencia más práctica con la fusión en el PSFC.
"Es un sueño trabajar en fusión", dice, "trabajar para convertirlo en una fuente viable de energía".
La belleza de la programación
Shaherul Haque comparte el entusiasmo de Sperry por HEDP, pero está satisfecho con la investigación que lo mantiene centrado en las computadoras. Mientras tomaba su primer curso de introducción a la informática en el MIT, descubrió la pasión por la disciplina.
"Esencialmente, se trata de resolver problemas en su forma más pura", dice Haque, quien dijo que se especializa en ciencias de la computación e ingeniería. “Y es algo en lo que obtienes resultados instantáneos; puedes verlo sucediendo justo frente a ti. Esa es la belleza de la programación. "
Al igual que Sperry, Haque explora las partículas cargadas dispersas en una implosión de ICF, aunque su investigación se centra en el seguimiento de los deuterones, un proceso dificultado por el "ruido de fondo" de los neutrones, protones y otras radiaciones. El experimento utiliza un detector de trazas nucleares de plástico llamado CR39. Cuando las partículas de una implosión de ICF golpean el detector, dejan rastros a través del plástico, caminos que pueden ser revelados por grabado. Aunque CR39 generalmente puede identificar partículas cargadas de reacciones de fusión, en experimentos que utilizan tritio (T) y helio-3 (3Los productos de protones consumen una gama de energías, en lugar de la cantidad de energía típicamente discreta y singular típica de los productos deuterón. Estos protones forman una capa de ruido de fondo, lo que dificulta la identificación y el análisis de los deuterones.
Haque dice que es importante para él poder separar los deuterones de los protones y analizar sus rastros, para que los investigadores puedan observar y comprender con precisión las propiedades de los productos de reacción sin obstrucciones. Está desarrollando una técnica para hacer este "rechazo de fondo" usando Python.
El trabajo de Haque respalda la investigación de su asesor, el estudiante graduado Graeme Sutcliffe, que usa T +3Produce para sondear campos magnéticos en plasmas.
“Ser capaz de distinguir entre especies de partículas, como lo hace el trabajo de Shaherul, mejorará las mediciones que hago con esta técnica”, dice Sutcliffe. "Su gran progreso, junto con algunos buenos resultados, generó suficiente material con suficiente profundidad para un artículo".
Asimismo, Hugo Ramírez está ayudando al estudiante graduado Tim Johnson a probar una hipótesis sobre la radiografía de protones, una técnica experimental clave utilizada en NIF y OMEGA para investigar experimentos astrofísicos en el laboratorio. El experimento de Johnson también utiliza el detector CR39, pero para obtener imágenes de protones producidos en una implosión ICF, no deuterones. La técnica permite a los investigadores comprender la fuerza y la forma de los campos eléctricos y magnéticos presentes en el experimento.
Johnson plantea la hipótesis de que la calidad de los datos de radiografía de protones depende de cómo se dirijan los láseres a la esfera de combustible. Según él, cualquier asimetría de los láseres reducirá el rendimiento. Para probar esta hipótesis, Ramirez está desarrollando un marco de software que imita el láser OMEGA, centrándose en una serie de parámetros experimentales que podrían afectar la intensidad de la energía creada por la implosión. . Estos incluyen el grosor de la cápsula de combustible, la distancia entre el combustible y los láseres y las asimetrías en el posicionamiento de los láseres.
"UROP usa muchas más matemáticas de lo que pensé, y obviamente ciencias de la computación y un poco de física", dice Ramirez. “Estas son las áreas que más amo en toda la ciencia. Es divertido conectar estas tres disciplinas "
Su interés en las matemáticas se encendió cuando en la universidad participó en una Olimpiada de Matemáticas en México, y luego continuó despertando ese interés en las competencias de la escuela secundaria en El Paso, Texas. La experiencia le dio una comprensión de teoremas, demostraciones y técnicas matemáticas que nunca antes había visto en su nivel escolar.
“Fue revelador. Pude entender cómo personas como Einstein idearon estas fórmulas. Pensé que, de hecho, algún día podría ser alguien como Einstein, trabajando en ciencias y matemáticas.
Interruptor de marcha
A veces, un proyecto UROP cambia de enfoque. El estudiante de segundo año Raymond Li comenzó su UROP durante el período de Actividades Independientes, listo para explorar un tema similar al de Ramírez: la asimetría que se puede causar cuando los láseres golpean la cápsula de combustible esférica en un experimento ICF. Utilizando el Clúster de Computación del Grupo HEDP, realizó simulaciones numéricas para caracterizar el impacto de varias fuentes de asimetría, como la impulsión láser no uniforme, las características técnicas y los defectos esféricos del objetivo.
Mientras continuaba su investigación en el semestre de primavera, su asesor, el estudiante graduado Patrick Adrian, habló de una nueva oportunidad. El grupo de Keith Nelson del MIT había pedido ayuda con un estudio de ondas de choque enfocadas esféricamente.
“Tienen una capa de agua intercalada entre dos capas de vidrio”, dice Li, “y están proyectando un láser en el agua para intentar generar una onda de choque. La onda de choque colapsa hacia adentro, hacia el centro del agua, haciendo que la presión en el centro del agua sea muy alta. Esto tiene muchas aplicaciones: puede usarlo para estudiar materiales a alta presión, sonoluminiscencia, y podría tener aplicaciones en fusión. "
Li simulará el experimento para encontrar los tipos de configuraciones que probablemente generarán las presiones más altas.
Li, quien fue miembro del equipo de física de Estados Unidos para la competencia Internacional de Física Olímpica, espera duplicar su especialización en física e ingeniería eléctrica e informática.
"Hacer simulaciones es una combinación muy buena de los dos", dice. "Creo que es interesante cómo podemos simular un fenómeno físico con computadoras".
Li, Ramirez, Haque y Sperry nunca se han conocido, ni siquiera virtualmente. Sin embargo, este cuarteto de estudiantes, que trabaja con objetivos similares y para los mismos experimentos colaborativos, es una parte valiosa del equipo de física de alta densidad de energía del PSFC.
"Cada uno de ellos hizo una contribución importante al abordar temas importantes para los que estábamos luchando por encontrar tiempo", dice Gatu Johnson. "Como beneficio adicional, también estamos felices de poder presentarles el campo de esta manera, con la esperanza de que estén interesados en seguir participando en esfuerzos similares en el futuro".