THE NEW YORK TIMES - Cientistas que estudam energia de fusão no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, anunciaram na terça-feira, 13, que tinham alcançado um marco importante na reprodução do modo como o sol produz energia em um laboratório.
Durante décadas, os cientistas disseram que a fusão, a reação nuclear que faz as estrelas brilharem, poderia oferecer uma futura fonte de energia abundante.
O resultado anunciado na terça-feira é a primeira reação de fusão em um ambiente de laboratório que de fato produziu mais energia do que o necessário para iniciá-la.
“Este é um exemplo maravilhoso de uma possibilidade concretizada, um marco científico alcançado e um caminho pela frente para as possibilidades de energia limpa”, disse Arati Prabhakar, conselheira de ciência da Casa Branca, durante uma coletiva de imprensa na manhã de terça-feira na sede do Departamento de Energia dos Estados Unidos, em Washington, D. C. “E uma compreensão ainda mais profunda dos princípios científicos que são aplicados aqui.”
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Do ponto de vista ambiental, a fusão sempre teve um forte apelo. Dentro do sol e das estrelas, a fusão combina constantemente átomos de hidrogênio e hélio, produzindo luz solar e calor que banham os planetas.
Em reatores experimentais e laboratórios de laser na Terra, a fusão faz jus à sua reputação como fonte de energia bastante limpa, desprovida de poluição e dos gases que provocam o efeito estufa pela queima de combustíveis fósseis e sem os perigosos resíduos radioativos de longa duração criados pelas atuais usinas de energia nuclear, que usam a fissão do urânio para produzir energia.
No entanto, sempre houve uma ressalva preocupante. Em todas as tentativas dos cientistas para controlar a energia incontrolável da fusão, seus experimentos consumiram mais energia do que as reações de fusão geradas.
Isso mudou à 1h03 da madrugada de 5 de dezembro, quando 192 lasers gigantes na Instalação Nacional de Ignição (NIF, na sigla em inglês) do laboratório foram disparados contra um pequeno cilindro do tamanho de uma borracha na ponta de um lápis que continha um núcleo congelado de hidrogênio envolto em diamante.
Os raios laser entraram na parte superior e inferior do cilindro, transformando-o em vapor. Isso gerou uma atividade interna intensa dos raios-X que comprimiram um pellet de combustível do tamanho de uma bala de arma BB (mais ou menos 4,6 mm de diâmetro) de deutério e trítio, as formas mais pesadas de hidrogênio.
Durante um breve momento que durou menos de 100 trilionésimos de segundo; 2,05 megajoules de energia – mais ou menos o equivalente a 450 gramas de TNT – bombardearam o pellet de hidrogênio. Então teve origem um fluxo de partículas de nêutrons – o produto da fusão – que transportavam cerca de 3 megajoules de energia, um indicador de 1,5 em ganho de energia.
Isso ultrapassou o limiar que os cientistas de fusão a laser chamam de ignição, a fronteira em que a energia gerada pela fusão é igual à energia dos lasers que iniciam a reação.
“Você vê um diagnóstico e acha que talvez não seja verdadeiro e então começa a ver mais e mais diagnósticos chegando, apontando a mesma coisa”, disse Annie Kritcher, física do Livermore, ao descrever a verificação dos dados após o experimento. “É uma sensação ótima.”
O sucesso do experimento cumpre finalmente o objetivo de ignição que foi prometido quando o prédio da NIF começou a ser construído em 1997. No entanto, quando as operações começaram em 2009, a instalação quase não produzia qualquer fusão, uma decepção embaraçosa após um investimento de US$ 3,5 bilhões do governo federal.
Em 2014, os cientistas do Livermore finalmente informaram progressos, mas a energia produzida era ínfima – o equivalente ao que uma lâmpada de 60 watts consome em cinco minutos. Os avanços nos anos seguintes foram insignificantes e limitados.
Então, em agosto do ano passado, a instalação produziu um disparo muito maior de energia – 70% mais energia do que a energia da luz de laser.
Em uma entrevista, Mark Herrmann, diretor do programa de física e design de armas do Livermore, disse que depois disso os pesquisadores realizaram uma série de experimentos para entender melhor o surpreendente resultado de agosto, e trabalharam para aumentar a energia dos lasers em quase 10% e melhorar o projeto dos alvos de hidrogênio.
O primeiro disparo de laser a 2,05 megajoules foi realizado em setembro. E essa primeira tentativa produziu 1,2 megajoules de energia de fusão. Além disso, a análise mostrou que o pellet esférico de hidrogênio não foi comprimido uniformemente, e parte dele basicamente foi expelida pela lateral, sem atingir as temperaturas de fusão.
Os cientistas fizeram alguns ajustes que eles acreditavam que levariam a um melhor resultado.
“A previsão antes do disparo era de que ele poderia dobrar [a produção de energia]”, disse Herrmann. “Na verdade, aumentou um pouco mais que isso.”
O principal objetivo da NIF é realizar experimentos para ajudar os EUA a manter suas armas nucleares. Isso faz com que as consequências imediatas para a produção de energia sejam provisórias.
A fusão seria basicamente uma fonte de energia sem emissões de carbono que ajudaria a reduzir a necessidade de usinas de energia queimando carvão e gás natural, que lançam bilhões de toneladas de dióxido de carbono na atmosfera do planeta e aumentam sua temperatura todos os anos.
Entretanto, ainda vai levar um bom tempo até que a fusão se torne disponível numa escala útil e abrangente, se é que isso um dia vai acontecer.
“Provavelmente, em décadas”, disse Kimberly S. Budil, diretora do Lawrence Livermore, durante a coletiva de imprensa na terça-feira. “Acho que serão seis décadas. Nem cinco décadas, que era o que costumávamos dizer. Acho que isso está ganhando destaque e, provavelmente, com esforço conjunto e investimentos, algumas décadas de pesquisa sobre as tecnologias subjacentes poderiam nos dar condições para construir uma usina de energia.”
A maioria dos cientistas climáticos e formuladores de políticas dizem que, para alcançar o objetivo de limitar o aquecimento a 2°C, ou uma meta ainda mais ambiciosa de 1,5 ºC de aquecimento, o mundo deve zerar suas emissões líquidas de carbono até 2050.
As tentativas de fusão até agora utilizavam principalmente reatores com o formato de rosquinha conhecidos como tokamaks. Dentro deles, o gás hidrogênio é aquecido a temperaturas altas o suficiente para que os elétrons sejam removidos dos núcleos de hidrogênio, criando o que é conhecido como plasma – nuvens de núcleos carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Os campos magnéticos retêm o plasma dentro do reator e os núcleos se fundem, liberando energia na forma de nêutrons voando para fora.
O trabalho na NIF adota um método diferente, mas até agora, pouco foi feito para transformar em realidade a ideia de uma usina de energia de fusão a laser. “Há obstáculos enormes, não apenas na ciência, mas na tecnologia”, disse Kimberly.
O laser da NIF é o mais potente do mundo, mas é lento e pouco eficiente, pois funciona com uma tecnologia criada há décadas.
O aparelho, mais ou menos do tamanho de um estádio de futebol, foi criado para realizar experimentos científicos básicos e não para funcionar como um protótipo para a produção de eletricidade.
Em média, ele realiza cerca de 10 disparos por semana. Uma instalação comercial que usasse o método de fusão a laser precisaria de lasers muito mais rápidos, capazes de disparar num ritmo de metralhadora, talvez dez vezes por segundo.
O laser da NIF também continua consumindo muito mais energia do que a produzida pelas reações de fusão.
Embora o recente experimento tenha produzido um ganho líquido de energia em comparação com a energia dos 2,05 megajoules dos feixes de laser recebidos, o laser da NIF precisou usar 300 megajoules de energia da rede elétrica para gerar o breve seu breve impulso.
Outros tipos de lasers são mais eficientes, porém especialistas dizem que uma usina de energia de fusão a laser viável provavelmente exigiria ganhos de energia muito maiores do que o 1,5 observado neste recente experimento de fusão.
“Serão necessários ganhos de 30 a 100 para ter mais energia para uma usina de energia”, disse Herrmann.
Ele disse que o Livermore continuaria a realizar os experimentos de fusão com o laser da NIF para aumentar a produção de fusão.
“Sinceramente, é nisso que vamos de verdade ficar de olho nos próximos anos”, disse Herrmann. “Esses experimentos mostram que até mesmo um pouquinho mais de energia do laser pode fazer uma grande diferença.”
Pesquisadores de outros lugares estão considerando variações do experimento da NIF. Outros tipos de lasers com diferentes comprimentos de onda podem aquecer o hidrogênio de forma mais eficiente.
Alguns pesquisadores preferem um método de “impulso direto” para a fusão a laser, usando a luz do laser para aquecer diretamente o hidrogênio. Isso iria trazer mais energia para o hidrogênio, mas também poderia criar instabilidades que prejudicam as reações de fusão.
Em abril, a Casa Branca realizou uma reunião para tentar acelerar as iniciativas de fusão para uso comercial.
“Desenvolver um método economicamente atraente para a energia de fusão é um grande desafio científico e de engenharia”, disse Tammy Ma, que lidera uma iniciativa no Livermore para estudar as possibilidades. “Sem dúvidas será uma tarefa gigantesca.”
Tammy disse que um relatório encomendado pelo Departamento de Energia dos EUA para estipular uma estrutura para a pesquisa de energia de fusão a laser seria lançado em breve.
Segundo ela, “um programa como esse exigirá inevitavelmente a participação de toda a comunidade”, incluindo universidades, startups e serviços públicos, além de laboratórios nacionais como o Livermore.
Os resultados anunciados na terça-feira vão beneficiar os cientistas que trabalham no arsenal de armas nucleares, o principal objetivo da NIF. Ao executar essas reações nucleares em um laboratório numa escala menos destrutiva, os cientistas pretendem substituir os dados que costumavam coletar com as detonações de bombas nucleares subterrâneas, atividade abandonada pelos EUA em 1992.
A maior produção de fusão na instalação levará a mais dados “que nos permitem manter a confiança em nossa dissuasão nuclear sem a necessidade de mais testes subterrâneos”, disse Herrmann. “O resultado, esses 30.000 trilhões de watts de potência, cria ambientes muito extremos por si só” que se assemelham bastante a uma arma nuclear explodindo.
Riccardo Betti, cientista-chefe do Laboratório para Uso Energético de Lasers da Universidade de Rochester, que não esteve envolvido neste experimento específico do Livermore, disse: “Este é o objetivo, demonstrar que se pode queimar um combustível termonuclear no laboratório pela primeira vez”.
“E isso foi feito”, acrescentou. “Portanto, este é um ótimo resultado.”/TRADUÇÃO DE ROMINA CÁCIA
Henry Fountain e Zach Montague contribuíram com essa reportagem