Mesmo com a era da fusão aparecendo – ainda estamos na era do Steam

Mesmo com a era da fusão aparecendo – ainda estamos na era do Steam

Registro de data e hora: 19 de março de 2024, 2:58

Locomotivas a vapor fazendo barulho ao longo dos trilhos da ferrovia. Barcos a vapor agitando o Murray. Navios de guerra Dreadnought movidos por motores a vapor.

Muitos de nós pensamos que a era do vapor acabou. Mas embora a máquina a vapor tenha sido substituída por motores de combustão interna e agora por motores elétricos, o mundo moderno ainda depende do vapor. Quase todas as centrais térmicas, desde o carvão até às nucleares, necessitam de vapor para funcionar. (As usinas a gás geralmente não o fazem).

Mas por que? É por causa de algo que descobrimos há milênios. No primeiro século dC, os antigos gregos inventaram a eolípila – uma turbina a vapor. O calor transformou a água em vapor, e o vapor tem uma propriedade muito útil: é um gás fácil de produzir e que pode empurrar.

Este simples facto significa que mesmo que o sonho da energia de fusão se aproxima, ainda estaremos na era do vapor. A primeira planta de fusão comercial contará com tecnologia de ponta capaz de conter plasma muito mais quente que o núcleo do Sol - mas ainda estará ligado a uma humilde turbina a vapor que converte calor em movimento em eletricidade.

dentro de um toro de fusão
Mesmo as centrais de fusão de alta tecnologia utilizarão vapor para produzir electricidade. Crédito da imagem: EUROfusion/Wikimedia Commons, CC BY

Por que ainda dependemos do Steam?

Água fervente consome uma quantidade significativa de energia, de longe a mais alta entre os líquidos comuns com os quais estamos familiarizados. A água consome cerca de 2.5 vezes mais energia para evaporar do que o etanol e 60% mais do que os líquidos de amônia.

Por que usamos vapor em vez de outros gases? A água é barata, não tóxica e fácil de transformar de líquido em gás energético antes de voltar a ser condensada em líquido para uso repetido.

O vapor durou tanto tempo porque temos água em abundância, cobrindo 71% da superfície da Terra, e a água é uma forma útil de converter energia térmica (calor) em energia mecânica (movimento) em energia elétrica (eletricidade). Procuramos eletricidade porque ela pode ser facilmente transmitida e usada para trabalhar para nós em muitas áreas.

Quando a água se transforma em vapor dentro de um recipiente fechado, ela se expande enormemente e aumenta a pressão. O vapor de alta pressão pode armazenar grandes quantidades de calor, assim como qualquer gás. Se for fornecida uma saída, o vapor passará por ela com altas taxas de fluxo. Coloque uma turbina em seu caminho de saída e a força do vapor que escapa girará as pás da turbina. Os eletroímãs convertem esse movimento mecânico em eletricidade. O vapor se condensa novamente em água e o processo recomeça.

Os motores a vapor usavam carvão para aquecer água e criar vapor para acionar o motor. A fissão nuclear divide átomos para produzir calor para ferver a água. A fusão nuclear forçará isótopos pesados ​​de hidrogénio (deutério e trítio) a fundir-se em átomos de hélio-3 e a criar ainda mais calor – para ferver água para produzir vapor e acionar turbinas para produzir eletricidade.

Se olharmos apenas para o processo final na maioria das centrais térmicas – carvão, diesel, fissão nuclear ou mesmo fusão nuclear – veríamos a velha tecnologia do vapor levada até onde pode ser levada.

As turbinas a vapor que acionam os grandes alternadores elétricos que produzem 60% da eletricidade mundial são lindas. Centenas de anos de tecnologia metalúrgica, design e fabricação complexa praticamente aperfeiçoaram a turbina a vapor.

Continuaremos usando o vapor? As novas tecnologias produzem eletricidade sem utilizar vapor. Painéis solares dependem de fótons que chegam atingindo elétrons no silício e criando uma carga, enquanto turbinas eólicas operam como turbinas a vapor, exceto com o vento soprando na turbina, e não com vapor. Algumas formas de armazenamento de energia, como a hidrelétrica bombeada, usam turbinas, mas para água líquida, não para vapor, enquanto as baterias não usam vapor algum.

Estas tecnologias estão rapidamente a tornar-se importantes fontes de energia e armazenamento. Mas o vapor não vai embora. Se usarmos usinas termelétricas, provavelmente ainda usaremos vapor.

Por que não podemos simplesmente converter calor em eletricidade?

Você pode se perguntar por que precisamos de tantas etapas. Por que não podemos converter calor diretamente em eletricidade?

É possível. Dispositivos termoelétricos já estão em uso em satélites e sondas espaciais.

Construídos a partir de ligas especiais, como chumbo-telúrio, esses dispositivos dependem de uma lacuna de temperatura entre as junções quentes e frias entre esses materiais. Quanto maior a diferença de temperatura, maior tensão eles podem gerar.

A razão pela qual esses dispositivos não estão em todos os lugares é que eles produzem apenas corrente contínua (CC) em baixas tensões e são entre 16% e 22% eficientes na conversão de calor em eletricidade. Por outro lado, as centrais térmicas de última geração são até 46% eficientes.

Se quiséssemos gerir uma sociedade com estes motores de conversão de calor, precisaríamos de grandes conjuntos destes dispositivos para produzir corrente contínua suficientemente elevada e depois usar inversores e transformadores para convertê-la para a corrente alternada a que estamos habituados. Portanto, embora você possa evitar o vapor, acaba tendo que adicionar novas conversões para tornar a eletricidade útil.

Existem outras maneiras de transformar calor em eletricidade. Células a combustível de óxido sólido de alta temperatura estão em desenvolvimento durante décadas. Eles esquentam – entre 500 e 1,000 graus Celsius – e podem queimar hidrogênio ou metanol (sem chama real) para produzir eletricidade CC.

Essas células de combustível são até 60% eficientes e potencialmente ainda mais eficientes. Embora promissoras, estas células de combustível ainda não estão prontas para o horário nobre. Eles têm catalisadores caros e vida útil curta devido ao calor intenso. Mas o progresso é sendo feito.

Até que tecnologias como estas amadureçam, ficaremos presos ao vapor como forma de converter calor em eletricidade. Isso não é tão ruim – o vapor funciona.

Quando você vê uma locomotiva a vapor passando, você pode pensar que é uma tecnologia pitoresca do passado. Mas a nossa civilização ainda depende fortemente do vapor. Se poder de fusão chegar, o vapor também ajudará a impulsionar o futuro. A era do vapor nunca acabou.

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito de imagem: Siemens Pressebild via Wikimedia Commons

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