Cientistas americanos anunciaram o que chamaram de um grande avanço em um objetivo há muito indescritível de criar energia a partir da fusão nuclear.
O Departamento de Energia dos EUA disse em 13 de dezembro de 2022 que, pela primeira vez - e depois de várias décadas de tentativas - os cientistas conseguiram extrair mais energia do processo do que precisavam.
Mas quão significativo é o desenvolvimento? E quão longe está o sonho há muito buscado de fusão fornecendo energia abundante e limpa? Carolyn Kuranz, um professor associado de engenharia nuclear da Universidade de Michigan que trabalhou na instalação que acabou de quebrar o recorde de fusão, ajuda a explicar esse novo resultado.
O que aconteceu na câmara de fusão?
Fusion é uma reação nuclear que combina dois átomos para criar um ou mais novos átomos com massa total ligeiramente menor. A diferença de massa é liberada como energia, conforme descrito pela famosa equação de Einstein, E = mc2 , onde energia é igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado. Como a velocidade da luz é enorme, converter apenas uma pequena quantidade de massa em energia – como o que acontece na fusão – produz uma quantidade igualmente enorme de energia.
Pesquisadores do governo dos Estados Unidos Instalação Nacional de Ignição na Califórnia demonstraram, pela primeira vez, o que é conhecido como “ignição por fusão”. A ignição é quando uma reação de fusão produz mais energia do que está sendo colocada na reação de uma fonte externa e se torna autossustentável.
A técnica usada no National Ignition Facility envolveu disparar 192 lasers em um pellet de 0.04 polegadas (1 mm) de combustível feito de deutério e trítio - duas versões do elemento hidrogênio com nêutrons extras - colocados em uma lata de ouro. Quando os lasers atingem o recipiente, eles produzem raios-X que aquecem e comprimem o pellet de combustível a cerca de 20 vezes a densidade do chumbo e a mais de 5 milhões de graus Fahrenheit (3 milhões de Celsius) – cerca de 100 vezes mais quente que a superfície do recipiente. Sol. Se você puder manter essas condições por tempo suficiente, o o combustível se fundirá e liberará energia.
O combustível e o canister são vaporizados em alguns bilionésimos de segundo durante o experimento. Os pesquisadores esperam que seu equipamento tenha sobrevivido ao calor e medido com precisão a energia liberada pela reação de fusão.
Então, o que eles realizaram?
Para avaliar o sucesso de um experimento de fusão, os físicos observam a relação entre a energia liberada do processo de fusão e a quantidade de energia dentro dos lasers. Esta proporção é chamado ganho.
Qualquer ganho acima de um significa que o processo de fusão liberou mais energia do que os lasers entregaram.
Em 5 de dezembro de 2022, o National Ignition Facility disparou um pellet de combustível com dois milhões de joules de energia laser - aproximadamente a quantidade de energia necessária para ligar um secador de cabelo por 15 minutos - tudo contido em alguns bilionésimos de segundo. Isso desencadeou uma reação de fusão que liberou três milhões de joules. Isso é um ganho de cerca de 1.5, quebrando o recorde anterior de um ganho de 0.7 alcançado pela instalação em agosto de 2021.
Quão importante é esse resultado?
Energia de fusão tem sido o “Santo Graal” da produção de energia para quase meio século. Embora um ganho de 1.5 seja, acredito, um avanço científico verdadeiramente histórico, ainda há um longo caminho a percorrer antes que a fusão seja uma fonte de energia viável.
Embora a energia do laser de 2 milhões de joules fosse menor que o rendimento da fusão de 3 milhões de joules, a instalação levou quase 300 milhões de joules para produzir os lasers usado neste experimento. Este resultado mostrou que a ignição por fusão é possível, mas será necessário muito trabalho para melhorar a eficiência até o ponto em que a fusão possa fornecer um retorno líquido positivo de energia ao levar em consideração todo o sistema de ponta a ponta, não apenas um interação única entre os lasers e o combustível.
O quê precisa ser melhorado?
Há uma série de peças do quebra-cabeça da fusão que os cientistas vêm aprimorando constantemente há décadas para produzir esse resultado, e mais trabalhos podem tornar esse processo mais eficiente.
Primeiro, os lasers eram apenas inventado em 1960. Quando o governo dos EUA concluiu a construção da Instalação Nacional de Ignição em 2009, era a instalação de laser mais poderosa do mundo, capaz de fornecer um milhão de joules de energia para um alvo. Os dois milhões de joules que produz hoje são 50 vezes mais energéticos do que os próximo laser mais poderoso da Terra. Lasers mais poderosos e formas menos intensivas de energia para produzir esses lasers poderosos podem melhorar muito a eficiência geral do sistema.
As condições de fusão são muito desafiador para sustentar, e qualquer pequena imperfeição na cápsula ou combustível pode aumentar a necessidade de energia e diminuir a eficiência. Os cientistas fizeram muitos progressos para transferir energia com mais eficiência do laser para o canister e os votos de Radiação de raios X do canister para a cápsula de combustível, mas atualmente apenas cerca de 10 a cento 30 da energia total do laser é transferida para o canister e para o combustível.
Finalmente, enquanto uma parte do combustível, o deutério, é naturalmente abundante na água do mar, o trítio é muito mais raro. A própria fusão realmente produz trítio, então os pesquisadores esperam desenvolver maneiras de colher esse trítio diretamente. Nesse ínterim, há outros métodos disponíveis para produzir o combustível necessário.
Esses e outros obstáculos científicos, tecnológicos e de engenharia precisarão ser superados antes que a fusão produza eletricidade para sua casa. Também será necessário trabalhar para reduzir o custo de uma usina de fusão US$ 3.5 bilhões da National Ignition Facility. Essas etapas exigirão investimentos significativos do governo federal e da indústria privada.
Vale a pena notar que há uma corrida global em torno da fusão, com muitos outros laboratórios ao redor do mundo perseguindo diferentes técnicas. Mas com o novo resultado do National Ignition Facility, o mundo viu, pela primeira vez, evidências de que o sonho de fusão é alcançável.
Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
Crédito de imagem: Departamento de Energia dos EUA/Lawrence Livermore National Laboratory
