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OPINIÃO

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Por que fusão nuclear gera energia infinita sem risco de recriar Chernobyl

Reação da fusão nuclear produz quantidades mínimas de radiação e não tende a fugir do controle, sendo muito mais segura - JET/ UKAEA
Reação da fusão nuclear produz quantidades mínimas de radiação e não tende a fugir do controle, sendo muito mais segura Imagem: JET/ UKAEA
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Daniel Schultz, Monica Matsumoto, Shridhar Jayanthi, Guilherme Pimentel, Luiz Gustavo Martins e Cristina Schultz

sobre os colunistas

Daniel Schultz é cientista, professor de microbiologia e membro do núcleo de ciências computacionais em Dartmouth (EUA). Estuda a dinâmica dos processos celulares, com foco na evolução de bactérias resistentes a antibióticos. É formado em engenharia pelo ITA, doutor em química pela Universidade da Califórnia San Diego e pós-doutorado em biologia sistêmica em Harvard. Possui trabalhos de alto impacto publicados em várias áreas, da física teórica à biologia experimental, e busca integrar essas várias áreas do conhecimento para desvendar os detalhes de como funciona a vida ao nível microscópico.

Monica Matsumoto

Monica Matsumoto é cientista e professora de Engenharia Biomédica no ITA. Curiosa, tem interesse em áreas multidisciplinares e procura conectar pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É formada em engenharia pelo ITA, doutora em ciências pela USP e trabalhou em diferentes instituições como InCor/HCFMUSP, UPenn e EyeNetra.

Shridhar Jayanthi

Shridhar Jayanthi é agente de patentes com registro no escritório de patentes norte-americano (USPTO). Tem doutorado em engenharia elétrica pela Universidade de Michigan (EUA) e diploma de engenheiro de computação pelo ITA. Atualmente, trabalha com empresas de alta tecnologia para facilitar obtenção de patentes e, nas (poucas) horas vagas, é estudante de problemas na intersecção entre direito, tecnologia e sociedade. Antes disso, teve uma vida acadêmica com passagens pela Rice, MIT, Michigan, Pennsylvania e no InCor/USP, e trabalhou com pesquisa em áreas diversas da matemática, computação e biologia sintética.

Guilherme Pimentel

Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda, onde trabalha com novas teorias para explicar a expansão acelerada do Universo. Possui graduação em engenharia eletrônica, mestrado em física pelo ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) e doutorado em física na Universidade de Princeton. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas.

Luiz Gustavo Martins

Luiz Gustavo Martins é engenheiro químico, mestrado em física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é doutorando no MIT (Massachusetts Institute of Technology), na área de física do estado sólido experimental, onde trabalha espectroscopia óptica em materiais bidimensionais (com poucos átomos de espessura) e física de altas pressões.

Cristina Schultz

Cristina Schultz é oceanógrafa formada pela USP (Universidade de São Paulo), com mestrado em meteorologia pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e doutorado em oceanografia química pelo WHOI (Woods Hole Oceanographic Institution) e o MIT (Massachusetts Institute of Technology). Atualmente é cientista visitante na Universidade de Princeton, no NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Laboratório de Dinâmica de Fluidos Geofísicos). Sua pesquisa combina o uso de dados coletados em cruzeiros oceanográficos, dados de satélite e modelos climáticos para entender as consequências das mudanças climáticas na química do oceano e no ecossistema marinho.

Daniel Schultz

06/03/2022 04h00

Com o aquecimento global em plena marcha, muito se fala de formas alternativas para se gerar energia. Energia eólica e solar ajudam, mas nem sempre são suficientes para suprir a demanda. A energia atômica ainda traz riscos de acidentes graves, além de gerar lixo radioativo. Mas raramente se fala numa outra alternativa, capaz de usar a fusão de átomos de hidrogênio para fornecer energia limpa para toda a humanidade por milhões de anos, praticamente sem deixar resíduos.

Além disso, ao contrário da fissão nuclear usada na energia atômica convencional, a reação da fusão nuclear produz quantidades mínimas de radiação e não tende a fugir do controle, sendo muito mais segura. É um sonho antigo, que deixaria para trás todos os métodos de produção energética atuais.

Sabemos que a fusão nuclear é capaz de gerar muita energia, basta olhar para o Sol, pois é esse o combustível das estrelas. E também já conseguimos reproduzir o processo na Terra. Não só nas infames bombas de hidrogênio, mas também em reações mais controladas em laboratórios.

Porém, os desafios tecnológicos são imensos, pois é difícil reproduzir na Terra as altas pressões e temperaturas do centro do Sol, necessárias para se iniciar a fusão dos átomos.

Mas nessa semana esse sonho se tornou um pouco mais próximo, com um grupo europeu quebrando o recorde da quantidade de energia extraída do processo.

Como funciona a energia de fusão

A estabilidade dos núcleos dos átomos depende do balanço entre as forças nucleares que aglutinam os prótons e nêutrons e as forças eletrostáticas que repelem os prótons uns dos outros. O Ferro é o elemento mais estável.

Núcleos mais pesados acumulam muitos prótons e são dominados pelas forças eletrostáticas, tendo a ser mais instáveis e liberando energia quando se partem em elementos mais leves. É assim que funciona a energia atômica convencional.

Por outro lado, os núcleos mais leves são dominados pelas forças nucleares, ganhando estabilidade e liberando energia ao se juntarem em núcleos maiores.

Por ter apenas um próton em seu núcleo, átomos de hidrogênio são os mais fáceis de serem fundidos, liberando a maior quantidade de energia. Mas para isso, é necessário que os núcleos dos átomos se aproximem até se tocarem, superando a repulsão eletrostática.

No centro do Sol isso é fácil, pois a imensa força da gravidade comprime e aquece o hidrogênio a 10 milhões de graus. Mas na Terra?

Construindo um pequeno Sol na Terra

Nenhum material na Terra é capaz de suportar tais temperaturas. Uma das soluções é usar um tokamak, uma câmara toroide (em forma de pneu) capaz de gerar campos magnéticos fortíssimos para confinar o hidrogênio superaquecido.

Um consórcio majoritariamente europeu vem operando o JET (Joint European Torus) na Inglaterra, que acaba de quebrar o recorde de produção de energia por fusão nuclear com 59 megajoules de energia produzidos durante cinco segundos, o suficiente para esquentar uma banheira.

Pode não parecer muito, mas é um avanço significativo, que demonstra a viabilidade da tecnologia.

Um novo laboratório, o ITER, vem sendo construído desde 2007 na França para substituir o JET e levar o projeto adiante.

O ITER pretende mostrar que é possível extrair mais energia da fusão do que a energia necessária para operar o equipamento, algo que ainda não foi alcançado.

Os ímãs supercondutores refrigerados que irão gerar o campo magnético do ITER são uma verdadeira maravilha da tecnologia, produzindo campos magnéticos capazes de levitar um porta-aviões dois metros acima da água.

O projeto almeja gerar 10 vezes mais energia do que consome, elevando a fusão da fase experimental à fase industrial.

Outros modelos de reatores

O maior competidor do ITER é o NIF americano, na Califórnia. Ao invés do tokamak, 192 lasers são focados numa cápsula do tamanho de uma ervilha contendo hidrogênio. Esse processo comprime e aquece o hidrogênio a 100 milhões de graus, iniciando o processo de fusão.

Recentemente, o laboratório conseguiu chegar ao ponto onde a energia obtida pela fusão supera a energia fornecida pelos lasers para iniciar o processo. É um grande passo para se chegar à "ignição", quando a reação se torna autossustentável. O NIF espera chegar nela em breve.

Ainda em grande parte financiada por governos, a busca pela fusão nuclear começa a despertar o interesse de startups.

A Commonwealth Fusion Systems, numa parceria com o MIT, está desenvolvendo o Spark, um tokamak que pretende superar a eficiência do ITER a uma fração do custo. Para isso, apostam em novos ímãs construídos com novos materiais supercondutores.

A TAE Technologies, ao invés de esquentar o plasma de hidrogênio para aumentar a velocidade das partículas nucleares, usa essencialmente um acelerador de partículas para colidir duas bolas de plasma aquecido.

A empresa usa técnicas de aprendizado de máquina desenvolvidas no Google para controlar os campos magnéticos do equipamento, e prevê um protótipo comercial para 2030.

Tecnologia segura e barata

Seriam bilhões de anos de energia segura e barata. A reação de fusão usa como combustíveis duas formas do hidrogênio: o deutério, que pode ser extraído da água, e o trítio, que pode ser produzido a partir do lítio. O lítio pode ser minerado facilmente, e 1 kg de lítio produziria aproximadamente a mesma energia que 1 milhão de litros de petróleo.

O plasma numa usina de fusão não conteria combustível suficiente para uma reação sair do controle.

Caso o sistema de refrigeração falhasse totalmente, ainda assim não seria gerado calor suficiente para derreter a estruturas.

Além do mais, os projetos de usinas minimizam a quantidade de isótopos radioativos (como o trítio). Mesmo nos piores acidentes imagináveis, não seria necessário evacuar a população vizinha. Em suma, não precisaremos temer um outro Chernobyl.

Necessidade de mais investimentos

Mesmo com todas essas vantagens, o financiamento da pesquisa em fusão nuclear tem sido inconstante.

O Departamento de Energia dos EUA, por exemplo, investe US$ 500 milhões em fusão, comparado com US$ 1 bilhão em combustíveis fósseis e US$ 2,7 bilhões em energias renováveis.

Um dos problemas é o passo lento do desenvolvimento da tecnologia, que começou na década de 60 e vai durar pelo menos mais 30 anos. E como sabemos, políticos não gostam de investir em ideias das quais eles não colherão os louros. A França mesmo já chegou a embargar o ITER por questões de segurança.

Por outro lado, as vantagens da fusão nuclear são muito tentadoras.

Antigamente vista como um sonho distante, a fusão já é vista hoje por muitos como inevitável. Porém, a tecnologia chega um pouco tarde para fazer parte da revolução atual.

O aceleramento do aquecimento global requer ações imediatas, e felizmente já possuímos a tecnologia necessária para gerar energias renováveis.

Mas enquanto isso, já vamos encaminhando a era da energia infinita para a segunda metade desse século.