Experimento de fusão a laser desencadeia uma explosão energética de otimismo
Mesmo os cientistas que eram céticos em relação ao trabalho na National Ignition Facility consideraram os resultados um sucesso.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore relataram na terça-feira que usando 192 lasers gigantes para aniquilar uma pelota de hidrogênio, eles foram capazes de inflamar uma explosão de mais de 10 quatrilhões de watts de energia de fusão – energia liberada quando átomos de hidrogênio são fundidos em hélio, o mesmo processo que ocorre dentro das estrelas.
Na verdade, Mark Herrmann, vice-diretor de programa de Livermore para física de armas fundamental, comparou a reação de fusão aos 170 quatrilhões de watts de sol que banham a superfície da Terra.
“Isso é cerca de 10% disso”, disse Herrmann. E toda a energia de fusão emanava de um ponto quente do tamanho de um cabelo humano, disse ele.
Mas a explosão – essencialmente uma bomba de hidrogênio em miniatura – durou apenas 100 trilionésimos de segundo.
Ainda assim, isso estimulou uma explosão de otimismo para os cientistas da fusão que há muito esperavam que a fusão pudesse algum dia fornecer uma fonte de energia limpa e sem limites para a humanidade.
“Estou muito animado com isso”, disse Siegfried Glenzer, cientista do SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia, e que liderou os experimentos iniciais de fusão na instalação de Livermore anos atrás, mas não está atualmente envolvido no pesquisar. “Isso é muito promissor para nós, alcançar uma fonte de energia no planeta que não emita CO2.”
O sucesso também significou um momento de redenção para o aparelho a laser do tamanho de um estádio de futebol de Livermore, que é chamado de National Ignition Facility, ou NIF. Apesar de um investimento de bilhões de dólares – a construção começou em 1997 e as operações começaram em 2009 – o aparelho gerou inicialmente quase nenhuma fusão. Em 2014, os cientistas de Livermore finalmente relataram sucesso, mas a energia produzida então era minúscula – o equivalente ao que uma lâmpada de 60 watts consome em cinco minutos.
Em 8 de agosto, a explosão de energia foi muito maior – 70% da energia do laser atingindo o alvo de hidrogênio. Essa ainda é uma proposta perdida como fonte de energia, consumindo mais energia do que produz. Mas os cientistas estão confiantes de que mais saltos na produção de energia foram possíveis com o ajuste fino do experimento.
O Dr. Herrmann disse que normalmente, os cientistas de Livermore não falariam até depois que um artigo científico descrevendo as descobertas fosse publicado. Mas essas descobertas “têm se espalhado como um incêndio”, disse ele, “e então pensamos que seria melhor divulgar alguns fatos agora.”
Os feixes de laser são focalizados em um cilindro de ouro do tamanho de uma borracha de lápis. A vaporização do ouro gera raios-X que aquecem uma pelota de hidrogênio do tamanho de BB.
Riccardo Betti, cientista-chefe do Laboratório de Laser Energética da Universidade de Rochester, fez uma analogia de como funciona um motor de automóvel. “Você entrega energia em uma fração muito pequena do combustível por meio de uma faísca na vela de ignição, e então essa energia é amplificada pela combustão do combustível”, disse ele. “Então, a mesma coisa aconteceu no experimento Livermore.”
O Dr. Herrmann foi mais circunspecto, observando que os resultados ficaram aquém da definição estabelecida por um relatório da Academia Nacional de Ciências em 1997 , de que a energia de fusão produzida precisava exceder a quantidade de energia fornecida pelos lasers ao hidrogênio. “Estamos no limite”, disse ele.
Os cientistas do Livermore disseram que precisavam analisar seus resultados com mais cuidado antes de fazer afirmações mais detalhadas.
Dr. Glenzer, entretanto, disse que tinha certeza de que a fusão havia se propagado. As reações de fusão produziram uma torrente de partículas subatômicas conhecidas como nêutrons – mais do que os instrumentos poderiam contar.
“Os dados são bastante óbvios”, disse Glenzer.
Os resultados aprimorados da fusão também ajudam a Instalação Nacional de Ignição a cumprir seu uso principal – verificar se as armas nucleares funcionam. Depois que os Estados Unidos suspenderam os testes nucleares subterrâneos em 1992, os funcionários do laboratório argumentaram que alguma forma era necessária para verificar os modelos de computador que substituíram os testes.
O Dr. Herrmann disse que 24 horas após o último experimento, alguém que trabalhava no programa de modernização de armas nucleares contatou a equipe do NIF. “Eles estão interessados em aplicar isso a questões importantes que eles têm”, disse ele.
O centro da National Ignition Facility é a câmara-alvo, uma esfera de metal de 10 metros de largura com equipamentos de diagnóstico reluzentes irradiando para fora.
O complexo de laser preenche um prédio com uma pegada igual a três campos de futebol. Cada explosão começa com um pequeno pulso de laser que é dividido por meio de espelhos parcialmente refletivos em 192 feixes e, em seguida, rebatido para frente e para trás através de amplificadores de laser antes de convergir em um cilindro de ouro que tem o tamanho e o formato de uma borracha de lápis.
Os feixes de laser entram na parte superior e inferior do cilindro, vaporizando-o. Isso gera um ataque interno de raios-X que comprime uma pelota de combustível do tamanho de um BB de deutério e trítio cuidadosamente congelados, as formas mais pesadas de hidrogênio. Em um breve momento, os átomos implodindo se fundem.
Desde os resultados iniciais promissores de 2014, os cientistas do NIF consertaram a configuração do experimento. As cápsulas contendo o hidrogênio agora são feitas de diamante em vez de plástico – não porque o diamante seja mais forte, mas porque ele absorve os raios X mais facilmente. Os cientistas ajustaram o design do cilindro de ouro e do pulso de laser para minimizar as instabilidades.
Os cientistas agora também têm melhores ferramentas de diagnóstico.
Depois de anos de apenas melhorias modestas, as combinações de modificações começaram a dar frutos, e os cálculos indicavam que a injeção de 8 de agosto poderia triplicar o que o NIF havia produzido na primavera. Em vez disso, o ganho foi um fator de oito, muito mais do que havia sido previsto.
“Acho que todos ficaram surpresos”, disse Herrmann. Parte da análise atual é descobrir quais mudanças funcionaram tão bem.
Uma inspeção da câmara-alvo na Instalação Nacional de Ignição em 2001.Crédito… Imagens de Joe McNally / Getty
O próprio NIF não pode servir de modelo para uma futura usina. Seus lasers são ineficientes e ele pode disparar apenas uma vez por dia. Uma usina de fusão a laser precisaria vaporizar pelotas de hidrogênio a uma taxa de várias por segundo.
O Dr. Glenzer disse que o SLAC estava trabalhando em um sistema a laser que funcionaria em níveis mais baixos de potência, mas dispararia muito mais rapidamente. Ele disse esperar que a fusão, ofuscada nos últimos anos pela energia solar e outras tecnologias de energia, ganhe destaque novamente nos esforços para substituir os combustíveis fósseis.
O financiamento federal para pesquisa de fusão é baixo, mesmo com o governo Biden dando ênfase à redução da mudança climática.
“Às vezes acontece que, no pior ano de seu financiamento, você obtém os melhores resultados”, disse Glenzer.
Embora Bodner prefira uma abordagem alternativa à do experimento atual, ele disse que o resultado do NIF apontou para um caminho a seguir.
“Isso demonstra aos céticos que não há nada de fundamentalmente errado com o conceito de fusão a laser”, disse ele. “É hora de os EUA avançarem com um importante programa de energia de fusão a laser.”
Os lasers não são a única abordagem destinada a aproveitar a fusão para futuras usinas de energia.
Os cientistas também usaram reatores em forma de rosca chamados tokamaks, que usam campos magnéticos para conter e comprimir o combustível de hidrogênio. No final da década de 1990, o experimento Joint European Torus na Inglaterra foi capaz de gerar 16 milhões de watts de energia de fusão por um breve momento, percorrendo cerca de 70% do caminho para produzir tanta energia quanto consumia. Um projeto internacional chamado ITER está agora construindo um reator tokamak maior na França, com início de operação programado para 2025.