همان‌طور که مهندسان خودروهای فرمول یک را برای عملکرد بهینه تنظیم می‌کنند، دانشمندان نیز در تلاشند تا پلاسماهای پرقدرتی را در دستگاه‌های پیچیده‌ای به نام استلراتور ایجاد کنند. برای عملکرد مؤثر این پلاسماها، آن‌ها باید گرما را حفظ کرده و در میدان‌های مغناطیسی با شکل دقیقی محصور شوند.

برای ساده‌سازی این فرآیند، فیزیکدانان کد رایانه‌ای جدیدی توسعه داده‌اند که طراحی آهنرباهای پیچیده‌ی شکل‌دهنده‌ی پلاسما را تسریع می‌کند. این نوآوری می‌تواند ساخت استلراتورها را آسان‌تر و کم‌هزینه‌تر کند.

چگونه QUADCOIL فرآیند طراحی را ساده می‌کند؟

QUADCOIL به دانشمندان کمک می‌کند تا شکل‌های پلاسما را که از نظر فیزیکی پایدار هستند اما نیازمند آهنرباهای بیش‌ازحد پیچیده می‌باشند، حذف کنند. با این کار، محققان می‌توانند روی طراحی استلراتورهایی تمرکز کنند که هم از نظر فیزیک و هم از نظر امکان ساخت، بهینه باشند.

فرانک فو، دانشجوی دکترای برنامه‌ی فیزیک پلاسما در دانشگاه پرینستون و نویسنده‌ی اصلی مقاله‌ای که این کد را معرفی کرده، می‌گوید:«QUADCOIL به‌سرعت پیچیدگی آهنرباها را پیش‌بینی کرده و به شما کمک می‌کند از طراحی پلاسماهایی که از نظر فیزیکی عالی، اما برای ساخت یک نیروگاه همجوشی غیرعملی هستند، اجتناب کنید.»

تعادل بین فیزیک و مهندسی

پس از انتخاب یک شکل پلاسما با ویژگی‌های مناسب برای واکنش‌های همجوشی، QUADCOIL محاسباتی مقدماتی انجام می‌دهد تا شکل‌های آهنرباهای موردنیاز را تعیین کند. اگر این شکل‌ها بیش‌ازحد پیچیده باشند، کد به دانشمندان اجازه می‌دهد شکل پلاسما را اصلاح کنند. این روش، تعادلی بین فیزیک و مهندسی ایجاد می‌کند که با روش‌های دیگر بسیار بیشتر زمان می‌برد. در حالی که برنامه‌های سنتی طراحی آهنربا ممکن است بین ۲۰ دقیقه تا چند ساعت طول بکشند، QUADCOIL این کار را در ۱۰ ثانیه انجام می‌دهد.

یک تکنیک نوآورانه

برنامه‌های سنتی معمولاً دو مرحله دارند: یک برنامه‌ی رایانه‌ای شکل پلاسما را تعیین می‌کند و برنامه‌ی دیگری آهنرباهای موردنیاز را مشخص می‌کند، اما بین این دو ارتباطی وجود ندارد. برخی برنامه‌های جدیدتر این دو مرحله را به‌طور هم‌زمان انجام می‌دهند، اما این کار باعث کندی محاسبات شده و گاهی به طراحی‌هایی منجر می‌شود که یا بیش‌ازحد پیچیده‌اند یا پلاسما را به‌درستی کنترل نمی‌کنند.

فو این فرآیند را با طراحی یک موتور مقایسه می‌کند:«تصور کنید دو تیم روی ساخت یک موتور کار می‌کنند؛ یکی طراحی را انجام می‌دهد و دیگری آن را می‌سازد. QUADCOIL مثل این است که یکی از اعضای تیم ساخت را به تیم طراحی ببرید تا از ابتدا طراحی را بهینه کند.»

انعطاف‌پذیری بیشتر، دقت بالاتر

QUADCOIL به دانشمندان اجازه می‌دهد تا طیف وسیعی از مشخصات مهندسی را در ورودی‌ها بگنجانند و شکل‌های آهنربایی تولید کنند که کاربردی‌تر باشند. این مشخصات شامل اطلاعاتی درباره‌ی مواد آهنربا، اشکال و توپولوژی آن‌هاست. علاوه بر این، QUADCOIL داده‌هایی را تولید می‌کند که دیگر برنامه‌ها قادر به ارائه‌ی آن نیستند، از جمله انحنای آهنرباها و میزان نیروی مغناطیسی که تحمل می‌کنند.

گامی به‌سوی انرژی همجوشی عملی

این پژوهش نشان می‌دهد که برنامه‌های رایانه‌ای پیشرفته چقدر برای توسعه‌ی نیروگاه‌های همجوشی استلراتوری حیاتی هستند. الیزابت پال، استادیار فیزیک کاربردی در دانشگاه کلمبیا و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید:«یکی از چالش‌های اصلی طراحی استلراتورها، پیچیدگی شکل آهنرباهاست که ساخت آن‌ها را دشوار می‌کند. این مشکل نشان می‌دهد که باید از همان ابتدا به پیچیدگی آهنرباها توجه کنیم. اگر بتوانیم با استفاده از کدهای رایانه‌ای، شکل‌هایی برای پلاسما پیدا کنیم که هم از نظر فیزیکی بهینه باشند و هم با آهنرباهای ساده قابل ایجاد باشند، می‌توانیم انرژی همجوشی را ارزان‌تر کنیم.»

بهبودهای آینده و ادغام با دیگر نرم‌افزارها

فو و تیم تحقیقاتی او در حال توسعه‌ی نسخه‌ی جدیدی از QUADCOIL هستند که نه‌تنها میزان پیچیدگی ساخت آهنرباها را مشخص می‌کند، بلکه به دانشمندان راه‌هایی برای بهبود شکل پلاسما پیشنهاد می‌دهد. نسخه‌ی اولیه‌ی این کد روی یک لپ‌تاپ اجرا می‌شود، اما نسخه‌ی نهایی احتمالاً نیازمند پردازنده‌های گرافیکی قوی‌تری خواهد بود. همچنین، فو قصد دارد در آینده این کد را در مجموعه‌های نرم‌افزاری بزرگ‌تری برای طراحی استلراتورها ادغام کند. فو می‌گوید:«طراحی یک استلراتور به حجم زیادی از محاسبات نیاز دارد. من تلاش می‌کنم این فرآیند را تا جای ممکن روان‌تر کنم.»

منبع: