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Retrocesso quinta-feira: A falácia tola da fusão a frio

E a física inegável de como a fusão realmente funciona.

Crédito da imagem: The FIRE Place, via http://fire.pppl.gov/ .

Entre a fusão a frio e a ciência respeitável, virtualmente não há comunicação alguma. …porque os Cold-Fusioners se veem como uma comunidade sitiada, há poucas críticas internas. Experimentos e teorias tendem a ser aceitos pelo valor de face, por medo de fornecer ainda mais combustível para críticos externos, se alguém de fora do grupo se incomodasse em ouvir. Nessas circunstâncias, os malucos florescem, piorando as coisas para aqueles que acreditam que há ciência séria acontecendo aqui. – David Goodstein

Vou contar uma história que começa em 1770 , antes não só da ideia de fusão nuclear, mas antes dos núcleos atômicos ou mesmo a teoria moderna dos átomos existia. Em vez disso, nossa história começa com o primeiro autômato jogador de xadrez, Wolfgang von Kempelen 's Turco.

Crédito da imagem: gravura em cobre de Karl Gottlieb von Windisch.

Quase dois séculos antes da invenção do computador moderno, o turco foi capaz de jogar um jogo de xadrez muito forte, vencendo a maioria de seus jogos e derrotando todos, exceto os melhores jogadores do mundo na época. Imediatamente, é claro, acreditava-se que era uma farsa, mas muitas exibições da máquina pareciam provar que era genuína, e a máquina parecia exibir não apenas notável habilidade no xadrez, mas também a capacidade de detectar movimentos falsos. Como um oponente (derrotado) observou, sua tentativa de trapacear,

dando à Dama o movimento de um Cavalo, mas meu oponente mecânico não deveria ser tão imposto; ele pegou minha Rainha e a recolocou na praça de onde eu a havia movido.

Crédito da imagem: Reconstruction of the Turk, via usuário do Wikimedia Commons Carafe.

O Turk - que seria a invenção steampunk definitiva hoje - exigia acionamento por um terceiro externo, e essa ação resultaria no som de uma máquina acionada por dentro. Além das gavetas inferiores, que continham um tabuleiro de xadrez e peças, havia seis portas, três na frente e três atrás. Atrás da porta esquerda, como mostrado acima, havia um conjunto de engrenagens de metal interligadas, que giravam após serem enroladas. Atrás dos dois à direita havia uma almofada vermelha e um espaço aberto, para que todas as portas pudessem ser abertas e se pudesse ver claramente através do turco.

Depois de derrotar quase todas as competições regionais, exceto a mais forte, o turco foi levado pela Europa, onde jogou em muitas exibições, incluindo uma contra o jogador mais forte da época, o famoso André Philidor . Apesar do fato de que o dispositivo mecânico foi incapaz de derrotar Philidor, o francês - embora vitorioso - chamou de seu jogo de xadrez mais cansativo de todos os tempos!

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Jarra , de uma reconstrução do Turco Mecânico.

Mas as engrenagens da esquerda e as gavetas de baixo eram falso ; eles se estendiam apenas um terço do caminho de volta, permitindo ao operador — que estava escondido dentro — escorregar para uma posição invisível quando as duas portas mais à direita foram abertas. O turco foi, de fato, não um autômato, mas uma máquina muito bem projetada, conduzida por um operador humano em seu interior.

Mas não foi até a década de 1820 que a fraude foi descoberta, e literalmente não ser por 200 anos após o primeiro jogo do turco que um verdadeiramente programa automatizado poderia jogar xadrez no nível do turco . Mantenha essa história em mente agora, enquanto mudamos de marcha para um quebra-cabeça muito mais moderno.

Muito mais premente, hoje, é o problema da necessidade de um limpar , seguro , e acessível fonte de energia. De todas as opções disponíveis, a mais ideal (e talvez com maior potencial) é fusão nuclear .

Crédito da imagem: copyright 2003-2014 Education Portal, via http://education-portal.com/academy/lesson/what-is-nuclear-fusion-definition-process-quiz.html#lesson .

A principal fonte de energia do Sol, a fusão nuclear é a liberação de energia que acontece quando os núcleos atômicos de elementos mais leves se fundem em elementos mais pesados. A fusão nuclear, ao contrário de nossa atual fonte terrestre de energia nuclear - nuclear fissão — envolve sem resíduos radioativos e nenhuma ameaça de colapso . Espera-se que tanto os produtos quanto os reagentes dos processos de fusão nuclear sejam limpos e não representem ameaça de uma reação descontrolada e descontrolada.

Junte esse fator de limpeza e segurança com o incrível eficiência de energia nuclear - várias vezes mais energética por kg do que a fissão e milhares de vezes mais eficiente do que as fontes químicas - e não é de admirar que seja visto como o santo graal da energia . O princípio por trás da fusão nuclear é incrivelmente simples.

Crédito da imagem: J.V. Hofmann, IPP Garching, via http://physics.ucc.ie/~pjm/trachtais_macleinn/HughCallaghanPhD1999/node4.html .

O elemento mais estável da tabela periódica é o Ferro-56 (ou Níquel-62, dependendo de como você mede a estabilidade). Se você tem um elemento que é significativamente mais massivos do que esses, geralmente você pode separá-los, produzindo elementos mais leves e estáveis ​​​​e liberando energia: isso é ficão nuclear . (Para alguns elementos, esse processo é tão energeticamente favorável que ocorre espontaneamente : isso é radioatividade !)

A fusão é exatamente o oposto: pegar elementos mais leves e juntá-los, criando mais elementos estáveis ​​e liberando energia. Devemos notar que o Sol pega prótons e - em uma reação em cadeia - os transforma em Hélio-4, que converte cerca de 0,7% da massa original total em energia via E = mc^2. Enquanto isso não é tudo aquele muito para a reação de um único átomo, quando você percebe que 10^38 prótons faça isso no sol todo segundo , soma-se a um tremendo liberação de energia: um total de 4 × 10^26 Watts de potência contínua!

Crédito da imagem: Atmospheric Imaging Assembly of Solar Dynamics Observatory da NASA.

Então, como fazemos isso acontecer - de forma controlada (não assim ) - na terra? Existem três abordagens geralmente adotadas para esse objetivo: usando lasers para acender a fusão via confinamento inercial, usando um plasma de alta energia com fortes campos magnéticos para incendiá-lo, ou usando um método híbrido composto conhecido como fusão alvo magnetizada.

Mas todos esses métodos requerem energias e temperaturas muito altas. Embora a fusão tenha sido alcançada muitas vezes, nunca atingimos o ponto de equilíbrio: onde mais energia utilizável foi liberada durante a reação do que foi inserida na reação para fazê-la funcionar e sustentá-la em primeiro lugar. Alcançar e ultrapassar o ponto de equilíbrio é o objetivo final da pesquisa de fusão.

O que algumas pessoas estão procurando é uma maneira de fazer isso em temperaturas mais baixas e em energias mais próximas da temperatura ambiente. Se você puder diminuir muito sua energia de entrada, mesmo uma saída modesta de energia pode representar um enorme ganho líquido! Em vez de milhões de graus, eles estão olhando para temperaturas não superiores a milhares. São pessoas que procuram algum tipo de reação nuclear de baixa energia (LENR) ou – como é mais comumente chamada – fusão a frio.

Crédito da imagem: Phillippe Plailly de http://visualphotos.com/ .

Aqueles de vocês que conhecem sua história podem se lembrar em 1989 que uma equipe de cientistas... Fleischman e Pons — afirmou ter conseguido a fusão nuclear à temperatura ambiente através de um processo eletroquímico: fusão a frio. Isso seria fantástico, é claro, porque significaria que imenso produção de energia (na escala nuclear) poderia ser alcançada com apenas pequeno insumos de energia (na escala eletroquímica, que é cerca de 100.000 vezes menor), uma descoberta claramente revolucionária!

Infelizmente, seus resultados foram extremamente falhos e seus experimentos não foram reproduzíveis, e a fusão a frio agora é sinônimo de ideias como máquinas de movimento perpétuo : promessas muito atraentes de energia praticamente ilimitada, mas que infelizmente são fisicamente impossíveis.

Mas isso pode ser muito duro. Enquanto as máquinas de movimento perpétuo violariam fenômenos físicos conhecidos – como a conservação de energia – a fusão a frio é possível em princípio . Se voltarmos ao Sol, onde a fusão nuclear definitivamente ocorre, não é como se as temperaturas lá fossem suficientes para fazer com que os núcleos individuais superassem sua repulsão elétrica mútua e se fundissem. Em vez de, outra coisa notável acontece para os dois núcleos que estão prestes a se fundir: suas funções de onda se sobrepõem e eles túneis mecanicamente quânticos para um estado mais estável e fundido!

Crédito da imagem: Molecular Beam Epitaxy Group da Universidade de Maryland.

Isso na verdade faz acontecer em baixas temperaturas ao hidrogênio sob as condições certas: se você substituir o elétron normalmente em um átomo por um quer ! Como um múon é como um elétron, mas 207 vezes mais pesado, um átomo de hidrogênio muônico é ordens de magnitude menor que o hidrogênio normal. Coloque alguns deles juntos e suas funções de onda vontade sobrepor o suficiente para fundir espontaneamente! Infelizmente, os múons são partículas instáveis ​​de alta energia com uma vida média de apenas 2,2 microssegundos.

A combinação da barreira de energia da matéria normal, a barreira de Coulomb de núcleos individuais, a probabilidade insignificantemente baixa de tunelamento quântico, exceto as distâncias mais curtas, e o fato de que a física das reações nucleares é tão incrivelmente bem compreendida (e verificado ) tudo nos diz que a fusão a frio de baixa energia deveria ser impossível. Toda boa ciência pode ser repetida: faça um experimento, me diga como você o fez, relate seus resultados e, com o equipamento adequado, eu deveria ser capaz de montar um experimento semelhante, fazer as mesmas coisas que você fez e obter os mesmos resultados. . Se eu não posso, e outros não podem, você não fez boa ciência. E digo isso para apontar um fato simples: houve alegações de fusão a frio, mas nenhuma delas jamais resistiu ao escrutínio da definição acima de boa ciência.

Crédito da imagem: Rossi, Kullander, Essen e o e-Cat, recuperado de http://energydigital.com/ .

Isso remonta à década de 1980 e inclui as décadas de 1990, 2000 e – mais recentemente com Andrea Rossi — os anos 2010.

Uma bandeira vermelha fácil que você deve sempre procurar é a radiação ionizante, um subproduto da todo reações nucleares que já descobrimos. Se o seu suposto dispositivo de fusão (ou, nesse caso, fissão) não estiver produzindo nenhum, você não terá uma reação nuclear ocorrendo: as diferenças de energia são simplesmente grandes demais entre os estados nucleares.

Crédito da imagem: M. S. Litz e G. Merkel Laboratório de Pesquisa do Exército, SEDD, DEPG Adelphi, MD 20783.

Embora eu seja um físico teórico, estou aberto à possibilidade de que a física esteja errada e que a fusão a frio seja possível; um único experimento respeitável, repetível e verificável vai mudar minha mente nesta conta. Mas até esse dia chegar, a suposição padrão é que qualquer um que afirme ter fusão a frio é uma combinação de antiético ou incompetente. A pessoa ética e incompetente enganará a si mesma, mas então seu experimento não será repetível ou verificável; este era o problema com o trabalho de Fleischmann e Pons. Mas a pessoa antiética, competente ou não, tentará enganar tu , sabendo muito bem que suas reivindicações não têm mérito.

Então, se você não olhou para a análise mais recente da última alegação de fusão a frio, tenha tudo isso em mente e vá ler . E se você se deparar com um novamente, certifique-se de exigir uma reprodução repetível e verificável de forma independente dos resultados. Caso contrário, você provavelmente não apenas se enganará, mas também será enganado por alguém cuja única intenção é fazer exatamente isso.

Seja tão apropriadamente cético quanto a ciência lhe diz para ser.

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