Uma anedota é conhecida: a fusão nuclear será em vinte anos. Sempre será em vinte anos. Essa piada, agora não tem mais graça, nasceu do otimismo de cientistas que, nos anos 1950 (e em todas as décadas subsequentes), acreditavam que a fusão nuclear estava a apenas 20 anos de distância. Agora, esta anedota foi levada a sério por uma startup - um nativo do MIT (Massachusetts Institute of Technology), uma instituição altamente respeitada e famosa: Commonwealth Fusion Technologies. A startup promete lançar um reator de fusão nuclear funcional em 15 anos. Promete energia barata, limpa e ilimitada que resolverá todas as crises de combustíveis fósseis e mudanças climáticas. Então eles dizem: "uma fonte de energia potencialmente inesgotável e livre de carbono".
Único problema: já ouvimos isso muitas vezes antes. O que é diferente desta vez?
Outro famoso clichê diz respeito à energia da fusão. A ideia é simples: você coloca o sol em uma garrafa. Só falta construir uma garrafa. A energia de fusão alimenta as estrelas, mas requer condições incrivelmente quentes e densas para o plasma funcionar.
Uma tremenda quantidade de energia pode ser liberada quando dois núcleos de luz se fundem: a fusão de deutério-trítio, que é realizada como parte do experimento ITER, emite 17,6 MeV por reação, um milhão de vezes mais energia por molécula do que você obtém com a explosão de TNT. Mas para liberar essa energia, você precisa superar a poderosa repulsão eletrostática entre os núcleos, que estão carregados positivamente. A forte interação a curtas distâncias leva a uma fusão que libera toda essa energia, mas os núcleos devem estar muito próximos - nos femtômetros. Nas estrelas, isso acontece por si só devido à pressão gravitacional colossal sobre o material, mas na Terra isso é mais difícil.
Primeiro, você precisa tentar encontrar materiais que sobreviverão após exposição a temperaturas de centenas de milhões de graus Celsius.
O plasma é feito de partículas carregadas; matéria e elétrons são levados embora. Ele pode ser mantido no lugar por um campo magnético que dobra o plasma em um círculo. As manipulações com o campo magnético também possibilitam a compressão desse plasma. Nas décadas de 1950 e 1960, surgiu toda uma geração de dispositivos com nomes exóticos: Stellarator, Maybeatron, Z-Pinch, projetados para isso. Mas o plasma que eles estavam tentando segurar era instável. O próprio plasma gera campos eletromagnéticos, pode ser descrito por uma teoria muito complexa da magnetohidrodinâmica. Pequenos desvios ou defeitos na superfície do plasma ficaram rapidamente fora de controle. Resumindo, os dispositivos não funcionaram como planejado.
A União Soviética desenvolveu um dispositivo tokamak que ofereceu um desempenho amplamente aprimorado. Ao mesmo tempo, um laser foi inventado, permitindo um novo tipo de síntese - síntese com confinamento inercial.
Nesse caso, não é mais necessário segurar o plasma queimando em campos magnéticos, é preciso comprimi-lo por uma explosão com lasers em um curto espaço de tempo. Mas os experimentos com confinamento inercial também sofreram de instabilidades. Eles estão funcionando desde a década de 1970 e podem um dia conseguir o que querem, mas o maior até hoje, o National Ignition Laboratory em Livermore, Califórnia, nunca atingiu um ponto de equilíbrio onde mais energia será produzida do que gasta.
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Grande parte da esperança está no ITER, o maior tokamak de fusão de confinamento magnético do mundo, que ainda está em construção.
Os desenvolvedores do projeto esperam acender o plasma em 20 minutos para gerar 500 MW de energia com uma entrada nominal de 50 MW. Os experimentos de fusão completa estão planejados para 2035, mas problemas com a cooperação internacional entre os EUA, a URSS (então ainda), Japão e Europa levaram a longos atrasos e aumento do orçamento. O projeto está 12 anos atrasado e custa US $ 13 bilhões. Isso não é incomum para projetos que requerem a construção de grandes instalações.
De acordo com o plano do ITER, o primeiro reator de fusão termonuclear, que funcionará como uma usina de ignição e apoio à fusão, DEMO, deverá entrar em operação em 2040 ou mesmo em 2050. Em outras palavras, a fusão nuclear … será em vinte anos. Existe uma tendência para resolver problemas com instabilidades construindo cada vez mais instalações. ITER será maior do que JET e DEMO será maior do que ITER.
Ao longo dos anos, muitas equipes desafiaram a colaboração internacional com projetos menores. A questão não é rapidez, mas praticidade. Se realmente leva bilhões de dólares e dezenas de anos para construir um reator de fusão, vai valer a pena? Quem vai pagar pela construção? Talvez quando um tokamak funcional for construído, a combinação de painéis solares e novas baterias nos fornecerá energia mais barata do que a produzida no tokamak. Alguns projetos - mesmo a notória "fusão a frio" - acabaram sendo falsos ou não funcionaram.
Outros merecem mais atenção. Startups com novos projetos de reatores de fusão - ou, em alguns casos, versões revisadas de tentativas anteriores.
A Tri Alpha espera colidir nuvens de plasma em uma estrutura que lembra o Grande Colisor de Hádrons e então manter o plasma de fusão em um campo magnético por tempo suficiente para equilibrar e gerar energia. Eles conseguiram atingir as temperaturas exigidas e o confinamento de plasma em poucos milissegundos e também levantaram mais de US $ 500 milhões em capital de risco.
A Lockheed Martin Skunk Works, conhecida por seus projetos secretos, causou impacto em 2013 ao anunciar que estava trabalhando em um reator de fusão compacto de 100 MW do tamanho de um motor a jato. Na ocasião, eles afirmaram que o protótipo estaria pronto em cinco anos. Claro, eles não divulgaram detalhes do projeto. Em 2016, foi confirmado que o projeto está recebendo financiamento, mas muitos já perderam a fé e ganharam ceticismo.
E tendo como pano de fundo toda essa desgraça, os cientistas do MIT invadiram o ringue. Bob Mumgaard, CEO da Commonwealth Fusion Energy, disse: “Estamos empenhados em obter uma estação de trabalho a tempo de combater as mudanças climáticas. Achamos que a ciência, velocidade e escala do projeto levará quinze anos."
O novo projeto do MIT segue o design do tokamak, como fazia no passado. O dispositivo SPARC deve produzir 100 MW de energia em pulsos de confinamento de 10 segundos. Já foi possível obter energia de pulsos antes, mas o ponto de equilíbrio é o que realmente atrai os cientistas.
Um molho especial neste caso são os novos ímãs supercondutores de alta temperatura feitos de óxido de ítrio-bário-cobre. Considerando que o HTSM pode criar campos magnéticos mais poderosos na mesma temperatura que os ímãs convencionais, pode ser possível comprimir o plasma com uma potência de entrada mais baixa, um dispositivo magnético mais baixo e obter condições de síntese em um dispositivo 65 vezes menor que o ITER. Esse é o plano, de qualquer maneira. Eles esperam criar ímãs supercondutores nos próximos três anos.
Os cientistas estão otimistas: “Nossa estratégia é usar a física conservadora com base em décadas de trabalho no MIT e em outros lugares”, disse Martin Greenwald, diretor associado do Centro de Ciência e Fusão do Plasma do MIT. "Se o SPARC atingir o desempenho esperado, meu instinto dita que ele pode ser ampliado para uma usina de força real."
Existem muitos outros projetos e startups que prometem, da mesma forma, contornar todos os tipos de tokamaks e orçamentos de colaboração internacional. É difícil dizer se algum deles encontrará o ingrediente secreto da síntese, ou se o ITER, com seu peso na comunidade científica e o apoio dos países, vencerá. Ainda é difícil dizer quando e se a fusão se tornará a melhor fonte de energia. A síntese é difícil. É assim que a história mostra.
Ilya Khel
