terça-feira, 23 de agosto de 2011

A fonte definitiva de energia

Em busca de uma alternativa para a matriz energética mundial, muitos cientistas acreditam que só a energia das estrelas pode representar um passo decisivo para a humanidade.
ilustração de um reator de fusão nuclear
© RSC (ilustração de um reator de fusão nuclear)
Às voltas com a sujeira e os riscos causados pela fissão nuclear, ainda debatendo se os biocombustíveis valem a pena ou não, o mundo se vê às voltas com uma matriz essencialmente baseada no petróleo e seus parentes próximos, o carvão e o gás natural.
Para achar uma saída desse beco, as duas únicas tecnologias com potencial disruptivo são a fotossíntese artificial e a fusão nuclear.
Os experimentos com folhas artificiais estão apenas começando. Mas o homem sonha em domar a fusão nuclear desde que Hans Bethe explicou de onde as estrelas tiravam tanta energia.
A primeira tentativa de produzir a fusão nuclear na Terra não é de boa lembrança: em 1º de Novembro de 1952, os Estados Unidos usaram uma bomba similar à usada em Hiroshima apenas para dar a ignição na primeira bomba de hidrogênio. Funcionou, mas a coisa se mostrou tão perigosamente descontrolada que o projeto foi deixado de lado.
O recorde mundial de fusão nuclear hoje pertence ao reator tokamak do JET (Joint European Torus), no Reino Unido. Com 15 metros de diâmetro e 12 metros de altura, ele consumiu 20 MW (megawatts) para produzir 16 MW - mas a fusão nuclear se sustentou por menos de 10 segundos.
Hoje, todos os esforços para bater esse recorde e gerar energia são pacíficos - ao menos os que se conhece. E os projetos de fusão nuclear não são mais exclusividade dos governos e suas universidades: já há empresas privadas trabalhando na área.
ITER
O maior desses esforços é o ITER, sigla em inglês de Reator Internacional Termonuclear Experimental, que começou a ser erguido em Cadarache, na França.
Com um investimento planejado de US$21 bilhões, o projeto pretende consumir 50 MW de energia para dar partida em uma produção de 500 MW. Em 2027, se tudo der certo.
O problema é que ninguém sabe se vai dar certo. Muitos físicos dizem que não vai funcionar. Outros afirmam que o ITER funcionará como um excelente laboratório de física, mas nunca será uma usina de geração de energia eficiente.
O ITER usará um reator do tipo tokamak, que usa um gigantesco campo magnético para confinar um plasma que deverá atingir uma temperatura de 45 milhões de graus Celsius para dar partida na fusão de deutério-trítio.
Se funcionar, um quilograma (kg) de combustível de fusão vai gerar tanta energia quanto 10 milhões de kg de carvão.
Outro experimento já atingiu 25 milhões de graus Celsius, ainda abaixo do ponto de partida da fusão. Mas os projetistas do ITER confiam em seus 18 gigantescos ímãs supercondutores, cada um pesando 360 toneladas, para confinar uma quantidade de plasma suficiente para chegar lá.
Ignitor
O Ignitor é um projeto conjunto entre a Itália e a Rússia, bem menos ambicioso que o ITER.
O Ignitor será na verdade uma versão ampliada do Alcator C-Mod, desenvolvido pela equipe do professor Bruno Coppi, do MIT.
O reator, que está sendo erguido nas proximidades de Moscou, terá aproximadamente o dobro do tamanho do Alcator, com uma câmara principal em forma de anel com 1,3 metro de diâmetro - a câmara do ITER terá 6,2 metros de diâmetro.
O Alcator não nasceu para gerar energia, mas como um laboratório para estudar as estrelas.
Ao longo dos anos, os cientistas foram aprimorando seus detalhes técnicos, a ponto de atingirem um estágio no qual eles acreditam ser viável usar a tecnologia para produzir temperaturas suficientes para iniciar a fusão nuclear.
Como estão trabalhando em uma área desconhecida, os cientistas parecem mais interessados em trocar experiências do que em competir. Evgeny Velikhov, responsável pelo lado russo do projeto, também é membro do conselho do ITER.
Mas o Dr. Coppi diz que, mesmo que o Ignitor nunca gere mais energia do que consumir, ainda assim a astrofísica terá muito a ganhar com o experimento.
Sterellator
Stellarator
© Max Planck Institute (Stellarator)
O tokamak não é o único caminho para tentar domar a fusão nuclear.
O projeto Wendelstein 7-X, do Instituto Max Planck, da Alemanha, está construindo um reator de fusão do tipo stellarator - ele será o maior do mundo desse tipo.
Um tokamak é alimentado por uma corrente de plasma. Essa corrente fornece uma parte do campo magnético responsável por isolar o próprio plasma das paredes do reator. O grande problema é evitar as "disrupções", as instabilidades do plasma circulante pelo torus.
Um reator do tipo stellarator não tem corrente, eliminando de pronto o problema das instabilidades do plasma. Esse tipo de reator tem um desenho esquisito, mas também tem seus próprios problemas, como uma tendência a perder energia.
Cada stellarator foge à sua própria maneira do tipo "clássico", fazendo modificações e otimizações que tentam coibir os defeitos o obter um funcionamento contínuo.
O Wendelstein 7-X terá 50 bobinas supercondutoras, medindo 3,5 metros de altura cada uma, para gerar o campo magnético primário. Para completar o sistema de contenção do plasma será usada uma camada adicional com 20 bobinas planares, colocadas sobre as primeiras, que terão o papel adicional de permitir o controle da intensidade do campo magnético.
O conjunto todo é contido dentro de uma estrutura de 16 metros de diâmetro. Uma usina de refrigeração fornecerá 5.000 Watts de hélio líquido para manter a supercondução dos fios que formam as bobinas.
O Wendelstein 7-X será um reator de pesquisa, sem intenção de produzir energia. Na verdade, a intenção é demonstrar a viabilidade da construção de uma usina de fusão nuclear usando um reator do tipo stellarator. Se tudo ocorrer segundo o cronograma, o reator deverá entrar em funcionamento em 2014.
Fusão nuclear com laser
O projeto europeu Hiper (sigla em inglês de Pesquisa de Energia Laser de Alta Potência) pretende atingir as altas temperaturas necessárias para iniciar a fusão nuclear usando um equipamento de raio laser do tamanho de um estádio de futebol.
Um laser de alta potência vai comprimir átomos de hidrogênio para conseguir uma densidade 30 vezes maior do que a do chumbo.
Um segundo laser vai aumentar a temperatura do hidrogênio comprimido acima dos 100 mihões de graus Celsius.
Nessas condições, os núcleos do hidrogênio deverão se fundir para formar hélio.
Iniciado em 2008, o Hiper é financiado pela Comissão Europeia e envolve 26 instituições de dez países.
Motor de fusão
Os cientistas da empresa privada Helion Energy são bem mais comedidos do que seus parceiros institucionais.
Seu reator de fusão nuclear é um equipamento cilíndrico de 16 metros de comprimento e pouco mais de um metro de diâmetro.
Chamado de "motor de fusão", o reator não usará supermagnetos supercondutores mantidos em temperaturas criogênicas: ele usará um processo conhecido como configuração de campo reverso.
Em vez de confinar o plasma em uma estrutura toroidal, como no tokamak, o motor de fusão vai acelerar duas pequenas bolas de plasma uma em direção à outra.
Manter o plasma isolado em um aparato linear é muito mais simples do que o formato toroidal, exigindo um campo magnético menos intenso e mais fácil de controlar. É por isso que o reator é tão menor do que seus concorrentes.
Se os cálculos estiverem corretos, a colisão deverá gerar calor suficiente para fundir os núcleos dos átomos, aquecê-los e iniciar a fusão de forma sustentada.
Como a fusão ocorre em um ponto determinado no espaço é mais fácil também recolher os nêutrons gerados. Os nêutrons são essenciais para gerar o combustível da fusão.
E, se eles escaparem, podem tornar radioativas as peças metálicas do equipamento com as quais entrarem em contato - isso acontecerá no ITER, que deverá trocar as partes internas do seu reator periodicamente.
O protótipo do motor de fusão atingiu uma temperatura de 25 milhões de graus Celsius, bem abaixo do necessário. Mas os cientistas calculam que a temperatura necessária será alcançada com um equipamento apenas três vezes maior.
A NASA e o Departamento de Defesa dos Estados Unidos já investiram US$5 milhões na empresa, que agora está procurando parceiros privados para levantar mais US$20 milhões, necessários para construir a versão final do seu motor de fusão.
Fusão geral
A empresa canadense General Fusion está usando uma outra abordagem para tentar obter a fusão nuclear sustentada.
A técnica chama-se fusão de plasma magnetizado e consiste em iniciar a fusão em um plasma comprimido de forma intensa e rápida no interior de uma esfera giratória de metal líquido.
O reator funciona em ciclos sequenciais, com cada compressão do plasma magnetizado produzindo um "disparo" de energia gerada pela fusão.
São quatro ciclos: criação do plasma de deutério e trítio, aprisionamento do plasma em um campo magnético, compressão do plasma magnetizado, gerando a fusão e, finalmente, captura do calor gerado pela fusão para uso em uma usina termoelétrica.
Os resultados ainda são modestos: segundo a empresa, o aparato produziu uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 1 microssegundo.
Mas a General Fusion tem mais dinheiro para construir versões maiores do seu reator: os US$30 milhões foram levantados entre investidores privados, entre os quais Jeff Bezos, da Amazon.
Fusão secreta
Há uma outra empresa privada na área, chamada Tri Alpha Energy, que não gosta de aparecer e nem divulga seus projetos, mas que aparentemente está usando um conceito criado pelos físicos Norman Rostoker e Hendrik Monkhorst.
A ideia é misturar hidrogênio e boro-11 em um plasma de alta temperatura para gerar a fusão.
O processo de confinamento usa a mesma configuração de campo reverso, mas aparentemente mantendo toda a energia de entrada dentro do reator - os elétrons do combustível seriam confinados eletrostaticamente e os íons seriam aprisionados magneticamente.
Os pesquisadores acreditam que, com o calor e a densidade adequadas, esses íons vão se fundir para liberar energia.
Recentemente circularam boatos de que a empresa teria levantado US$90 milhões, tendo entre seus investidores Paul Allen, cofundador da Microsoft. Mas as empresas de capital de risco apontadas nos boatos não listam a empresa em sua carteira de investimentos.
Em um artigo científico publicado em 2010, seus cientistas afirmam ter alcançado uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 2 milissegundos.
Já houve vários boatos sobre a iminência de um teste "no ano que vem", que ainda não aconteceu. Os mais otimistas opinam que uma versão comercial do reator Rostoker/Monkhorst - capaz de produzir mais energia do que consome - não sairá antes de 2020.
Fusão nuclear a frio
Há também propostas mais controversas para a fusão nuclear, embora não voltadas especificamente para a produção de energia.
A principal delas é a chamada fusão nuclear a frio, ou fusão de baixa energia, que mostra os indícios da fusão por meio dos nêutrons gerados no processo - pouquíssimos nêutrons, em comparação com os experimentos que pensam em gerar energia.
A ideia surgiu em 1989, quando Martin Fleishmann e Stanley Pons afirmaram ter verificado a fusão nuclear em uma célula eletrolítica. Mas nenhum outro grupo conseguiu reproduzir o experimento.
A esperança renasceu em 2009, quando Pamela Mosier-Boss e sua equipe modificaram ligeiramente a célula eletrolítica de Fleishmann e Pons e tiveram resultados animadores, ainda que frágeis demais para qualquer uso prático.
Mas a fusão nuclear a frio só voltou a ser levada a sério em 2010, quando a Sociedade Americana de Química promoveu um evento de dois dias exclusivamente para discutir o assunto. Desde o fiasco inicial, quem se atrevia a pesquisar na área preferia trabalhar em silêncio.
Foram mais 50 apresentações de experimentos que apresentaram resultados significativos, suficientes para colocar o assunto em pauta novamente. Mas ninguém sonha em usar a fusão a frio para geração de energia.
Fusão por cavitação
Pelo menos três grupos se envolveram em uma pretensa fusão nuclear em um equipamento de mesa, desde que Rusi Taleyarkhan e seus colegas do Laboratório Nacional Oak Ridge afirmaram ter conseguido iniciar a fusão pelo colapso de microbolhas.
Seth Putterman, da Universidade da Califórnia, fez uma demonstração semelhante em 2005, mas usando o aquecimento de um cristal em um ambiente de deutério. A produção de nêutrons, contudo, foi muito pequena, e os cientistas nunca chegaram a afirmar que a técnica seria útil para a geração de energia.
No mesmo ano, uma equipe da Universidade Purdue afirmou ter confirmado o experimento de Taleyarkhan, baseado na cavitação de microbolhas.
Contudo, depois da contestação de outros cientistas, a Universidade fez uma sindicância e concluiu que Yiban Xu e Adam Butt haviam falseado os resultados.
Fonte: Inovação Tecnológica

quinta-feira, 18 de agosto de 2011

Esfera em dois lugares ao mesmo tempo

Cientistas estão planejando colocar uma esfera em dois lugares ao mesmo tempo.
esfera
© Revista Física (esfera com dois estados quânticos)
A ideia é trazer para o mundo macro os fenômenos estranhos da mecânica quântica.
Desde que o mundo quântico comunicou-se com o mundo macro pela primeira vez os cientistas sabem que a mecânica quântica também pode influir no movimento de objetos macroscópicos.
Mas o objetivo agora é mais ambicioso: usar uma esfera "grande" para demonstrar o fenômeno da superposição, que permite que um objeto tenha mais de um estado ao mesmo tempo.
Será que os objetos grandes podem seguir as leis quânticas como a suposição de Erwin Schrödinger no experimento mental que mostra que um gato poderia existir em uma superposição de estar vivo e morto ao mesmo tempo?
A ideia agora é atingir uma esfera de vidro de 40 nanômetros de diâmetro, localizada dentro de uma pequena cavidade, com um laser.
Isso deverá forçar a esfera a saltar de um lado da cavidade para o outro.
Mas, como a luz é quântica por natureza, a posição da esfera também deverá ser, o que a obrigará a ficar em uma superposição quântica, concatenando-se com os fótons que a atingem.
O experimento terá de ser realizado em alto vácuo e em temperaturas extremamente baixas, para que a esfera não seja perturbada pelo ruído térmico ou pelas moléculas de ar, contou Oriol Romero-Isart, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, um dos idealizadores do experimento.
No ano passado, Aaron O'Connell e seus colegas da Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos, demonstrou que é possível criar superposições em uma tira de metal de 60 micrômetros de comprimento.
No entanto, a separação física associada com os dois diferentes estados superpostos foi de apenas 1 femtometro (10-15 metro), equivalente à largura do núcleo de um átomo.
A nova experiência, por sua vez, pretende colocar a esfera de vidro em dois lugares totalmente distintos ao mesmo tempo, sem sobreposição.
"Em nossa proposta, o centro de massa é colocado em uma superposição de localizações espaciais separadas por uma distância maior do que o tamanho do objeto", diz Romero-Isart.
Se der certo, será a primeira vez que a superposição será demonstrada em um objeto verdadeiramente macroscópico - embora uma esfera de 40 nanômetros não possa ser vista a olho nu, ela contém milhões de átomos, sendo maior do que um vírus.
Além do experimento com sobreposição de O'Connell, o máximo que se chegou até hoje em experimentos de superposição quântica foi em uma molécula chamada fulereno, com menos de 100 átomos.
Os cientistas afirmam que o experimento, ainda sem data marcada, deverá ser um teste valioso para a própria teoria da mecânica quântica.
Observar o comportamento de tais objetos muito grandes obedecendo as leis quânticas pode ser a melhor chance de descobrir onde é que a mecânica quântica deixa de funcionar e começa a vigorar a mecânica clássica.
Fonte: New Scientist

terça-feira, 16 de agosto de 2011

Evolução da matéria após Big Bang

Algumas das perguntas mais intrigantes em foco da física básica são sobre neutrinos.
detector experimental de neutrinos Daya Bay
© Berkeley Lab (detector experimental de neutrinos Daya Bay)
Os neutrinos são partículas muito difíceis de serem detectadas por terem carga neutra, uma massa extremamente pequena e pouca interação com a matéria. Sua existência foi comprovada há cerca de 60 anos e, desde então, já se descobriu que existem três tipos de neutrinos, além de suas respectivas antipartículas.
Quanto pesam os diferentes tipos de neutrinos e qual é o mais pesado?
As respostas estão na forma como os três tipos de neutrinos - elétron, múon e tau - oscilam ou misturam-se no espaço. Para saber mais sobre os neutrinos, o detector experimental Daya Bay foi criado.
"Os resultados obtidos serão uma contribuição importante para a compreensão do papel dos neutrinos na evolução dos tipos básicos da matéria nos primeiros momentos após o Big Bang", explica Kam-Biu Luk, um professor de física da Universidade da Califórnia, em Berkeley, envolvido no projeto.
Os primeiros dados coletados deste detector mostram uma precisão maior que as medidas de outros experimentos em andamento.
O Daya Bay deu início a obtenção de dados para estabelecer um parâmetro que é fundamental na física de partículas, mas até agora não foi medido com precisão. Para medir a amplitude de oscilação dos neutrinos e chegar a este parâmetro serão necessários de dois a três anos de coleta de dados, com todos os seus oito detectores.
China e Estados Unidos lideram a colaboração internacional do Daya Bay, que inclui participação da Rússia, República Tcheca, Hong Kong e Taiwan. O experimento tem contribuições intelectuais de mais de 40 instituições de países do mundo todo.
Os neutrinos serão coletados por oito grandes detectores enterrados na parte subterrânea das montanhas adjacentes aos seis reatores nucleares de um grupo nuclear no sul da China, próximo a Hong Kong. Os reatores nucleares produzem enormes quantidades de antineutrinos, que são identificados por seus flashes.
Fonte: Berkeley Lab