Produzir energia praticamente sem emissões de carbono, utilizando o mesmo processo que alimenta o Sol, é um dos maiores sonhos da ciência moderna. Apesar de décadas de pesquisas e investimentos bilionários, transformar a fusão nuclear em uma fonte comercial de eletricidade continua sendo um desafio. Agora, cientistas da Universidade de Princeton identificaram um possível atalho que pode tornar esse objetivo mais acessível. A descoberta envolve uma mudança surpreendentemente simples na maneira de preparar o combustível dos reatores.
Uma mudança na ordem das etapas pode transformar a fusão nuclear
Pesquisadores do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), nos Estados Unidos, desenvolveram um novo modelo matemático que indica uma maneira mais eficiente de alcançar a chamada ignição por fusão nuclear.
Esse é o momento em que as reações de fusão conseguem produzir calor suficiente para sustentar o processo sem depender continuamente de aquecimento externo.
A pesquisa, publicada na revista científica Physical Review Letters, foi conduzida pelos físicos Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono e Jonathan Menard.
A principal descoberta está relacionada à ordem em que duas etapas fundamentais acontecem dentro dos reatores.
Em muitas estratégias tradicionais, os pesquisadores procuram aumentar a densidade do plasma antes de aquecê-lo até temperaturas extremamente elevadas.
O novo modelo sugere que inverter essa sequência pode exigir consideravelmente menos energia.
Em outras palavras, a proposta consiste em aquecer primeiro o plasma e somente depois aumentar sua densidade.
Essa mudança pode permitir que os reatores alcancem condições favoráveis à fusão sem enfrentar os maiores obstáculos energéticos encontrados nas abordagens convencionais.
A equipe compara a descoberta à escolha de um caminho mais fácil para atravessar uma montanha. Em vez de subir diretamente até o ponto mais alto, seria possível encontrar uma passagem menos exigente para chegar ao mesmo destino.
O segredo está em uma equação desenvolvida há mais de 70 anos
Desde a década de 1950, pesquisadores utilizam o chamado critério de Lawson para determinar as condições necessárias à produção de energia por fusão nuclear.
Esse princípio estabelece uma relação entre temperatura, densidade do plasma e tempo de confinamento.
Entretanto, embora ajude a identificar as condições necessárias para a ignição, ele não determina necessariamente qual é o caminho mais eficiente para alcançá-las.
Foi justamente essa limitação que os cientistas de Princeton procuraram resolver.
O novo modelo incorpora fatores que normalmente dificultam o funcionamento dos reatores, incluindo perdas de calor, radiação e contaminação do plasma por materiais presentes nas paredes dos equipamentos.
Os resultados foram apresentados no estudo publicado na Physical Review Letters, que propõe uma descrição mais completa das condições necessárias à ignição.
Os pesquisadores também identificaram uma região matemática conhecida como Cordey saddle, ou ponto de sela de Cordey.
Essa região representa uma espécie de passagem entre as condições em que o plasma ainda depende de aquecimento externo e aquelas em que pode sustentar suas próprias reações.
Em um cenário ideal, essa passagem aparece quando a potência produzida pela fusão corresponde a aproximadamente cinco vezes a potência de aquecimento fornecida externamente.
Entretanto, as condições reais dos reatores podem alterar significativamente esse valor.
Uma quantidade minúscula de metal pode dificultar todo o processo
Uma das descobertas mais importantes envolve o tungstênio, metal extremamente resistente ao calor utilizado no revestimento interno de diversos reatores experimentais.
Embora seja adequado para suportar condições extremas, pequenas quantidades desse material podem contaminar o plasma.
Os cálculos mostraram que uma concentração de apenas uma parte de tungstênio para cada 10 mil partes do plasma pode praticamente dobrar a pressão necessária para alcançar a ignição.
Isso significa que uma contaminação aparentemente insignificante pode comprometer o desempenho de um reator inteiro.
O problema se torna ainda mais complexo quando os pesquisadores consideram as condições tridimensionais do plasma.
Em determinados cenários, a pressão exigida poderia ultrapassar os limites necessários para manter o sistema estável.
A descoberta reforça a importância de considerar detalhes físicos que frequentemente são simplificados nos modelos teóricos.
A tecnologia pode beneficiar os futuros reatores de fusão
O novo modelo pode ajudar no desenvolvimento de dois tipos importantes de reatores: os tokamaks e os stellarators.
Ambos utilizam campos magnéticos intensos para manter o plasma confinado, impedindo que o material extremamente quente entre em contato direto com as paredes do equipamento.
Os tokamaks, por exemplo, possuem uma estrutura semelhante a uma rosquinha e estão entre as tecnologias mais estudadas para futuras usinas de fusão.
A pesquisa também identificou possíveis soluções para alguns obstáculos.
Uma delas envolve o uso de lítio líquido no revestimento interno dos reatores, o que poderia ajudar a controlar a contaminação e reduzir perdas energéticas.
Outra possibilidade é utilizar combustíveis com os spins dos núcleos atômicos alinhados, uma técnica que pode aumentar a taxa de reações de fusão.
Essas alternativas ainda exigem desenvolvimento e testes, mas podem contribuir para tornar os futuros sistemas mais eficientes.
A descoberta significa que teremos energia ilimitada em breve?
Apesar do entusiasmo, os cientistas destacam que os resultados ainda são teóricos.
A estratégia foi identificada por meio de cálculos matemáticos e ainda não foi demonstrada experimentalmente.
Os reatores existentes também não alcançaram todas as condições necessárias para testar diretamente o caminho proposto.
O próximo passo será realizar simulações computacionais mais detalhadas para verificar se a sequência de aquecer primeiro e aumentar a densidade depois realmente oferece as vantagens previstas.
Também será necessário enfrentar desafios relacionados aos materiais, à estabilidade do plasma, à extração de calor e à produção contínua de eletricidade.
A fusão nuclear apresenta vantagens importantes em relação à queima de combustíveis fósseis, incluindo baixas emissões operacionais de carbono e a ausência de uma reação em cadeia autossustentável como a utilizada na fissão nuclear.
Entretanto, ainda não existe uma usina comercial de fusão fornecendo eletricidade regularmente à rede.
A contribuição dos pesquisadores de Princeton está em oferecer uma possível maneira de evitar erros caros antes mesmo da construção dos futuros equipamentos.
Se confirmada, a descoberta poderá ajudar engenheiros a desenvolver reatores mais eficientes e economicamente viáveis.
A energia das estrelas ainda não está pronta para abastecer nossas cidades, mas a ciência pode ter encontrado uma rota mais inteligente para chegar até ela.
