Físicos estão mais perto do que nunca de conseguir energia infinita

(dr) Elle Starkman / PPPL Office of Communications

Célula de testes do NSTX-U

Célula de testes do NSTX-U

Físicos de todo o mundo têm competido para construir uma máquina de fusão nuclear que possa replicar o processo de fusão do átomo que tem alimentado o nosso Sol durante os últimos 4,5 bilhões de anos, em uma tentativa de fornecer para a humanidade uma energia limpa, segura e praticamente ilimitada.

Agora, segundo a Science Alert, o governo dos Estados Unidos acaba de apoiar planos para físicos construírem um novo tipo de dispositivo de fusão nuclear que poderia ser o projeto mais viável e eficiente para isso.

Energia infinita

A fissão nuclear – que é o que nossas instalações nucleares atuais fazem – gera energia através da divisão do núcleo de um átomo em nêutrons e em núcleos menores.

Enquanto este processo é bastante eficiente – a quantidade de energia que ele libera é milhões de vezes mais eficiente por massa do que os processos baseados no carvão – ele exige uma gestão extremamente cara de resíduos radioativos perigosos.

A fusão nuclear, por outro lado, não produz resíduos radioativos ou outros subprodutos indesejados. Ela gera enormes quantidades de energia quando os núcleos de dois ou mais átomos leves são fundidos em um núcleo mais pesado em incrivelmente altas temperaturas, e é tão eficiente que vem alimentando o nosso Sol durante os últimos 4,5 bilhões de anos.

Se pudermos essencialmente “miniaturizar” este processo, e construir máquinas que possam sustentar a fusão nuclear em uma escala menor, a humanidade garantiria as suas necessidades de energia durante o tempo que existirmos. Mas os físicos têm tentado construir dispositivos de fusão nuclear comercialmente viáveis há mais de 60 anos, e, como era de se esperar, a tentativa de colocar uma “estrela em um frasco” é tão difícil quanto parece.

Estrela no frasco

O maior desafio é que as máquinas de fusão nuclear requerem temperaturas muito mais elevadas do que as instalações de fissão.

Enquanto a fissão nuclear requer que as coisas sejam aquecidas a apenas algumas centenas de graus Celsius, máquinas de fusão nuclear tem que recriar as condições no Sol, então estamos falando de vários milhões de graus.

E uma vez que as máquinas de fusão nuclear começam basicamente as suas reações a partir do zero, primeiro precisamos conseguir temperaturas muito mais quentes do que as estimadas no centro do Sol – pelo menos 100 milhões de graus Celsius.

Até agora, o mais próximo que alguém chegou do sonho da energia ilimitada foi uma equipe de físicos do Wendelstein 7-X stellarator, em Greifswald, na Alemanha, e pesquisadores da Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), na China – ambos os quais tentando conter o plasma superaquecido que resulta da reação de fusão.

“Durante o processo de fusão nuclear, os elétrons dos átomos são separados de seus núcleos, criando assim uma nuvem super quente de elétrons e íons (núcleos menos seus elétrons), conhecida como plasma”, explica Daniel Oberhaus, do site Motherboard.

“O problema com este plasma rico em energia é descobrir como contê-lo, uma vez que ele existe a temperaturas extremamente altas (até 150 milhões de graus Celsius, ou 10 vezes a temperatura no núcleo do Sol). Qualquer material que você possa encontrar na Terra não vai ser um recipiente bom o suficiente”.

(dr) Max-Planck Institut für Plasmaphysik

Esquema tradicional em forma de donut de um tokamak, dispositivo que usa poderosos ímanes para confinar plasma num circuito toroidal

Esquema tradicional em forma de donut de um tokamak, dispositivo que usa poderosos ímanes para confinar plasma num circuito toroidal

Avanços

Para dar uma ideia de como isso é difícil, no início deste ano, a máquina de fusão nuclear alemã conseguiu aquecer o gás de hidrogênio até 80 milhões de graus Celsius e sustentar uma nuvem de plasma de hidrogênio por um quarto de segundo.

Pode parecer muito pouco, mas isso foi saudado como um marco enorme.

Os responsáveis pelo experimento chinês anunciaram em fevereiro que haviam batido esta marca e produzido plasma de hidrogênio a 49.999 milhões de graus Celsius, e o mantiveram por 102 segundos.

Até agora, nenhuma máquina foi capaz de provar que poderia produzir uma quantidade sustentada de energia através da fusão nuclear – apenas que poderia deixar os materiais quentes o suficiente para iniciar o processo.

Mas agora físicos do Departamento de Energia dos EUA no Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) acreditam que encontraram uma maneira melhor.

Se a máquina de fusão nuclear é basicamente como tentar colocar uma estrela em um frasco, a equipe do PPPL quer redesenhar o frasco, utilizando materiais melhores e de uma forma mais intuitiva.

Novo formato

Enquanto máquinas de fusão nuclear tradicionais chamadas tokamaks usam campos magnéticos para conter plasma superaquecido em um dispositivo em forma de anel, os físicos norte-americanos querem construir mais tokamaks esféricos compactos, em uma forma mais parecida com uma maçã sem sementes.

Segundo a equipe, o desenho esférico pode reduzir pela metade o tamanho do furo do formato de anel, permitindo que o plasma seja controlado com campos magnéticos de energia muito menor.

O orifício menor também poderia permitir a produção de trítio – um isótopo raro de hidrogênio – que pode fundir-se com outro isótopo de hidrogênio, chamado de deutério, para produzir reações de fusão.

A equipe também quer substituir os enormes ímãs de cobre em projetos tokamak tradicionais por magnetos supercondutores de alta temperatura que são muito mais eficientes, porque a eletricidade pode fluir através deles com resistência zero.

Felizmente, eles não vão começar seus projetos a partir do zero.

Eles estarão aplicando seus projetos para dois tokamaks esféricos existentes – o Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST), do Reino Unido, que está em fase final de construção, e o National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U), do próprio PPPL, que foi colocado no ar no ano passado.

“Estamos abrindo novas opções para as plantas futuras”, diz Jonathan Menard, um dos pesquisadores por trás do estudo e diretor do programa NSTX-U.

“Estas instalações vão empurrar a fronteira física, expandir o nosso conhecimento de plasmas de alta temperatura, e, se bem sucedidas, estabelecer a base científica para os caminhos de desenvolvimento da fusão com base em designs mais compactos”, acrescenta o diretor do PPPL, Stewart Prager.

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