Jonathan Tennenbaum – 19 de abril de 2020
A promessa emocionante de 'luz extrema' está reescrevendo as regras da fusão nuclear. Parte 1 da série sobre fusão hidrogênio-boro. Imagem de capa: Estrutura subnuclear do núcleo de um átomo de silício.
Os vários campos da ciência e da tecnologia estão tão intimamente ligados que um avanço em uma área pode desencadear rapidamente uma reação em cadeia de avanços em outras áreas. O “impossível” torna-se possível, o difícil torna-se fácil. Ideias, há muito abandonadas como desesperadamente difíceis de realizar, de repente ganham novas vidas.
A fusão hidrogênio-boro é um exemplo. Em princípio, a reação de fusão entre os núcleos de hidrogênio e boro poderia fornecer uma forma de energia nuclear altamente eficiente e livre de radioatividade, com reservas de combustível praticamente ilimitadas. A reação não produz radiação penetrante perigosa e nenhum resíduo radioativo, mas apenas partículas alfa estáveis, cuja carga elétrica permite até mesmo uma conversão direta da energia de fusão em eletricidade.
Essas vantagens são conhecidas há muito tempo, mas até recentemente as condições físicas consideradas necessárias para um reator de hidrogênio-boro – incluindo temperaturas de bilhões de graus Celsius – pareciam muito além de qualquer coisa que se pudesse esperar alcançar no futuro previsível.
Nesse ínterim, a situação mudou radicalmente, graças ao desenvolvimento de sistemas de laser que podem gerar pulsos ultracurtos na faixa de alguns femtossegundos (um femtossegundo é igual a um milionésimo de um bilionésimo de segundo), e à descoberta de um método para amplificar tais pulsos por fatores de um trilhão ou mais.
O método é chamado de amplificação de pulso chirped (Chirped Pulse Amplification), pelo qual seus descobridores, Gérard Mourou e Donna Strickland, foram agraciados com o Prêmio Nobel em 2018. Com a ajuda do CPA, é possível concentrar energia suficiente em um pulso ultracurto para que alcance potências na faixa de petawatts (um milhão de bilhões de watts). Isso é mais de 100 vezes a potência de todas as usinas elétricas do mundo combinadas – embora apenas por um minúsculo instante de tempo.
No foco de tal pulso de laser, intensidades de luz da ordem de milhares de bilhões de bilhões de watts por centímetro quadrado são alcançadas, comparáveis ao que obteríamos se toda a energia do Sol que chega à Terra fosse concentrada em um único ponto de tamanho milimétrico. Os físicos chamam isso de “luz extrema”.
O que importa não são os números alucinantes, mas o fato de que coisas inteiramente novas acontecem quando esses pulsos de laser interagem com a matéria. A luz extrema é uma das áreas mais interessantes da física básica e aplicada, com implicações revolucionárias para o futuro da tecnologia.
Não menos importante, a luz extrema está reescrevendo as regras da fusão nuclear.
A abordagem de usar lasers para desencadear reações de fusão tem sido perseguida por quase meio século. O conceito básico é bombardear uma minúscula pelota esférica de combustível de todos os lados por pulsos simultâneos de energia, fazendo com que a pelota se comprima a altas densidades e aqueça até as temperaturas necessárias para que as reações de fusão ocorram. Uma combinação de temperatura superelevada e densidade superelevada é necessária para atingir a chamada ignição – uma condição na qual o processo de reação se torna autossustentável, resultando em uma “microexplosão” eficiente que libera grandes quantidades de energia.
A busca por essa abordagem geral levou à construção do maior laser do mundo, o National Ignition Facility (NIF) de mais de US $ 3 bilhões no Laboratório Nacional Lawrence Livermore dos Estados Unidos.
O NIF opera não com a reação hidrogênio-boro, mas sim com a reação entre os isótopos de hidrogênio deutério (D) e trítio (T), que é muito mais fácil de conseguir. A reação DT requer temperaturas de “apenas” cerca de 100 milhões de graus e tem taxas de reação muito mais altas do que o hidrogênio-boro.
Infelizmente, apesar de algumas realizações sólidas, o NIF não conseguiu atingir sua meta designada de alcançar a “ignição”. As perspectivas de usinas de fusão a laser comercialmente viáveis com base na abordagem NIF diminuíram ainda mais no futuro.
Dado que a reação hidrogênio-boro é incomparavelmente mais difícil de realizar do que o DT, e o DT tem se mostrado tão obstinadamente difícil, por que estamos falando de hidrogênio-boro?
A razão é que o novo comportamento da matéria sob o impacto da “luz extrema” torna possível uma estratégia de atalho para inflamar uma mistura de hidrogênio-boro sem ter que se preocupar em aquecê-la e comprimi-la. O NIF e instalações semelhantes para fusão a laser não foram projetados para explorar os fenômenos relevantes.
Colocando de forma crua: pegamos uma pequena quantidade do combustível, em forma de cilindro, e batemos em uma das pontas com um pulso de laser. Acontece que quando um pulso de laser é suficientemente curto, suficientemente poderoso e tem uma forma suficientemente “limpa”, muito pouca energia vai para o aquecimento. Em vez disso, o principal efeito é acelerar as camadas expostas do combustível a velocidades superelevadas – 1.000 quilômetros por segundo ou mais.
Por um mecanismo não linear, a energia do pulso de laser é convertida com alta eficiência em movimento direcionado dos elétrons e núcleos do combustível, em vez do movimento aleatório associado ao calor. De maneira análoga a um feixe de partículas, mas com trilhões de vezes mais densidade, uma camada de combustível acelerada internamente bate no combustível adjacente, iniciando uma avalanche de reações de hidrogênio-boro, resultando em uma “onda de queima” de alta temperatura que se propaga ao longo do eixo do cilindro.
O inventor dessa estratégia, o físico australiano e especialista em fusão a laser de longa data, Prof. Heinrich Hora, pode apontar para uma longa série de experimentos e cálculos teóricos que sustentam sua abordagem. Isso inclui experimentos de vários grupos de pesquisa internacionais, demonstrando a geração real de reações de hidrogênio-boro por pulsos de laser ultracurtos e ultracurtos. Nos últimos anos, o número de reações detectadas tem aumentado aos trancos e barrancos. O último deles, realizado na instalação de laser PALS em Praga e relatado no início deste ano, rendeu mais de 10 bilhões de reações, com o caminho aberto para melhorar o rendimento em outras ordens de magnitude.
Embora muitas questões permaneçam sem resposta, parece que o sonho de um reator de fusão hidrogênio-boro tem sérias chances de se tornar realidade.
Hora apresentou um roteiro de pesquisa e desenvolvimento com o objetivo de construir um protótipo de usina de hidrogênio-boro nos próximos 8 a 10 anos. Este protótipo seria muito menor e muito mais simples de construir e operar do que usinas nucleares comuns e não apresenta problemas de segurança significativos. De acordo com Hora, o preço seria de cerca de US $ 80-100 milhões. Isso é mínimo em comparação com o custo de construção de um protótipo para um novo projeto de reator de fissão. Tenha em mente que a fissão nuclear é uma tecnologia madura, com cerca de 450 reatores de potência em operação comercial (veja meu artigo: A energia nuclear para o resgate: a França acertou); enquanto o hidrogênio-boro ainda está em fase experimental.
Mas quem olhar para isso ficará impressionado com a estratégia, o roteiro e a cooperação científica de alto nível que começou a se formar em torno dele. A lista de co-autores das publicações técnicas de Hora sobre a reação hidrogênio-boro inclui cientistas líderes de laboratórios de laser e centros de pesquisa nacionais nos Estados Unidos, China, Israel, Austrália, Irã, França, Itália, Espanha, República Tcheca e Polônia. As patentes foram concedidas nos Estados Unidos, China e Japão e estão pendentes na Europa. Hora fundou uma empresa, a HB11 Energy, que pretende levantar fundos de investidores e alocar várias tarefas de pesquisa e desenvolvimento em instalações existentes em todo o mundo.
Nesta série de artigos, falarei primeiro sobre a reação nuclear de hidrogênio-boro, seguida por alguns ABCs necessários de fusão, como funciona a tecnologia inovadora de amplificação de pulso chilreado, a física básica da abordagem de Hora, o progresso experimental até o momento e, finalmente, a o que um protótipo para um reator de fusão de hidrogênio-boro seria semelhante. A série será finalizada por uma entrevista com Heinrich Hora.
A série estará acessível ao público geral, mas incluirá algumas informações que leitores experientes acharão interessantes.
Jonathan Tennenbaum recebeu seu PhD em matemática pela Universidade da Califórnia em 1973 aos 22 anos. Também físico, linguista e pianista, ele é um ex-editor da revista FUSION. Ele mora em Berlim e viaja com frequência para a Ásia e outros lugares, como consultor em economia, ciência e tecnologia.
Fonte: https://asiatimes.com/2020/04/hydrogen-boron-fusion-could-be-a-dream-come-true/
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