Após 50 anos, a energia de fusão atinge um marco importante. O futuro da energia começa hoje

Suas implicações vão muito além da própria Terra, afetando até mesmo o futuro das viagens espaciais.
Crédito: Annelisa Leinbach, juanjo / Adobe Stock
Principais conclusões
  • Pesquisadores do National Ignition Facility em Livermore, Califórnia, obtiveram ganho líquido de energia em um experimento de fusão termonuclear. Mas quão grande avanço é isso, realmente?
  • Assim que os físicos perceberam como o Sol produzia sua energia, eles sonharam em fazer o mesmo processo funcionar na Terra. Eles trabalharam nisso desde a década de 1950 e finalmente alcançaram o sucesso.
  • Há ainda um longo caminho a percorrer. Mas agora podemos dizer com confiança que em um futuro não muito distante, as usinas de fusão irão gerar toda a energia que o mundo precisa, de forma limpa e a um custo incrivelmente baixo.
Adam Frank Compartilhar Após 50 anos, a energia de fusão atinge um marco importante. O futuro da energia começa hoje no Facebook Compartilhar Após 50 anos, a energia de fusão atinge um marco importante. O futuro da energia começa hoje no Twitter Compartilhar Após 50 anos, a energia de fusão atinge um marco importante. O futuro da energia começa hoje no LinkedIn

Na terça-feira, o Departamento de Energia dos Estados Unidos anunciou que pesquisadores do Instalação Nacional de Ignição em Livermore, Califórnia, havia alcançado ganho líquido de energia em um experimento de fusão termonuclear. O resultado foi aclamado como um dos avanços científicos mais importantes do século 21. st século e o primeiro passo em direção ao santo graal de uma fonte barata e abundante de energia limpa. A notícia pingava na mídia. Tive a chance, muito brevemente, de explicar o que significava tanto na NBC quanto na MSNBC.

Mas o que tudo isso significa? Os resultados são realmente tão notáveis ​​quanto o Departamento de Energia apregoa? E quanto tempo antes de todos nós termos um Mr. Fusion em nossas cozinhas?



Conceitos de fusão de núcleo

Além de professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Rochester, também sou cientista do Laboratório de Laser Energética, localizado ao sul do campus. O Laboratório é uma instalação de pesquisa de fusão a laser de primeira linha, com US$ 30 milhões por ano em financiamento do Departamento de Energia. É o primo menor do National Ignition Facility - um lugar onde muitas ideias são exploradas antes de serem levadas para Livermore. (O LLE pode disparar seus lasers uma vez a cada hora, enquanto o NIF pode disparar apenas uma vez por dia.)





Desse ponto de vista, passei mais de 20 anos observando o impulso para a fusão. E posso dizer que sim, sem dúvida, o anúncio de terça-feira é realmente um grande negócio.

O Sol é alimentado por reações de fusão termonuclear em seu núcleo. Quatro núcleos de hidrogênio – cada um com um único próton – são espremidos juntos para formar um núcleo de hélio, com seus dois prótons e dois nêutrons. No processo, eles liberam alguma energia, conforme descrito por E = mc dois . O Sol realiza esse truque usando o impacto gravitacional de sua massa pesada - 330.000 vezes a massa da Terra. Todo esse aperto gravitacional força as temperaturas no núcleo do Sol a ultrapassar 10 milhões de graus Kelvin. Isso cria pressões que unem os núcleos de hidrogênio com força suficiente para que ocorra a transmutação nuclear necessária.



Assim que os físicos perceberam que era assim que o Sol produzia sua energia, eles começaram a sonhar em fazer o mesmo processo funcionar na Terra. Mas os cientistas não têm 330.000 Terras de massa para fazer as coisas funcionarem, e há uma piada de longa data nos círculos da ciência da fusão de que não importa quando você pergunte, a fusão sempre estará a 20 anos de distância. Primeiro, os cientistas tentaram usar campos magnéticos para gerar as pressões necessárias. Mais tarde, eles viram que poderiam usar feixes de laser convergentes para gerar o aperto. Independentemente do método, o que importa é que desde a década de 1950 tem alguém, em algum lugar, trabalhando para conseguir a fusão em laboratório. O processo foi doloroso e o progresso lento.



Demorou décadas, mas finalmente ganhamos energia

Enquanto a fusão magnética e a fusão a laser (também chamado de confinamento inercial) lutaram pela supremacia, nenhum dos métodos atingiu um ponto em que qualquer energia extraída por reações de fusão foi maior do que a energia colocada para iniciar essas reações. Simplificando, não houve ganho líquido de energia.

Quando o Departamento de Energia decidiu construir a Instalação Nacional de Ignição no início deste século, o NIF imediatamente se tornou o avô de todas as máquinas de fusão a laser. Era tão grande que todos esperavam que o ganho líquido de energia estivesse a apenas alguns anos de distância. Mas a Facilidade não cumpriu essas promessas inicialmente. A energia do laser que deveria atingir o alvo – uma minúscula cápsula de deutério e trítio – estava sendo desviada pelo plasma gerado na implosão da cápsula. Essas falhas iniciais deixaram alguns se perguntando se conseguir a fusão no laboratório era simplesmente impossível. Talvez o processo fosse muito complicado, com muitas instabilidades que poderiam impedir a ignição por fusão.



Mas os cientistas da National Ignition Facility finalmente prevaleceram. Com paciência e engenhosidade, eles trabalharam e retrabalharam o projeto de seus experimentos - o pulso de laser, a cápsula de combustível e qualquer outra coisa em que pudessem pensar - e lentamente se aproximaram de seu objetivo. Finalmente, eles desencadearam uma ignição termonuclear descontrolada. Como um fósforo aceso, uma vez que o combustível deutério-trítio começou a queimar, ele liberou mais energia do que havia sido usado para iniciar as reações termonucleares. Esse resultado finalmente pôs fim à primeira parte da velha piada dos “20 anos”. Os cientistas da fusão esperaram 50 anos por esse marco, e agora ele está nos livros de história.

Então, quando as usinas de fusão começarão a gerar todas as necessidades de energia do mundo, de forma limpa e a um custo incrivelmente baixo? Bem… em cerca de 20 anos. Mas o objetivo é atingível agora. Antes, nem sabíamos se a fusão no laboratório era possível. Agora sabemos que é. Avançar a partir daqui é resolver muitos desafios técnicos e de engenharia. Isso definitivamente levará mais de 10 anos, mas 20 ou 30 anos agora é um cronograma realista para o desenvolvimento de um reator comercial em funcionamento. Agora que sabemos que é possível, realmente não há nada para nos parar.



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As consequências de tal avanço são difíceis de entender. Imagine o que o mundo poderia fazer com um suprimento quase ilimitado de energia limpa e barata. O que poderíamos alcançar? Como podemos progredir? As implicações vão além da Terra. Os foguetes de fusão nuclear tornariam a aceleração/desaceleração contínua para Marte e o resto do sistema solar uma realidade. Em vez de levar de seis a nove meses para chegar a Marte, você pode manter o motor ligado, acelerando e desacelerando a 1G para chegar em apenas algumas semanas. Então, de fato, há muitas maneiras de alcançar a ignição por fusão é uma virada de jogo.



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