Energia
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A Fusão Nuclear Significa Apenas Fusão Quente?
A fusão nuclear é o Santo Graal da pesquisa de energia. Ela entregaria quantidades massivas de energia limpa, produzindo nenhum lixo nuclear ou emissões de carbono, utilizando um combustível tão abundante que compõe a maioria da matéria no universo.
É também incrivelmente difícil de alcançar, simplesmente porque a única maneira que conhecemos para a fusão nuclear ocorrer é replicar as condições dentro das estrelas, com pressão e temperatura inimagináveis, na ordem de dezenas ou centenas de milhões de graus.
Isso pode ser alcançado usando campos magnéticos poderosos para conter e compressão do plasma ultra-quente. Ou com centenas de lasers poderosos todos sincronizados para apontar para o mesmo local. No entanto, todos esses métodos lutam para sustentar a reação de fusão por tempo suficiente para “reembolsar” a energia gasta na inicição da fusão nuclear.
Fonte: IEEE
A complexidade da tecnologia de fusão nuclear e seu potencial para resolver nosso problema de energia foi discutida em mais detalhes em nosso artigo “Fusão Nuclear – A Solução de Energia Limpa Definitiva no Horizonte.”
Mas e se a fusão nuclear pudesse ocorrer em circunstâncias diferentes, usando ciência de materiais, metais raros e química em vez de física de plasma de alta potência?
Essa é a promessa da “fusão a frio”, um campo que foi considerado por muito tempo não científico e ridicularizado pela comunidade científica. Isso foi até que um artigo científico foi publicado na prestigiosa revista Nature, intitulado “Observação da emissão de nêutrons durante a cavitação acústica de pó de titânio deuteronado.”
História da Fusão a Frio
Em 1989, os pesquisadores Stanley Pons e Martin Fleischmann alegaram ter alcançado a fusão a frio. Infelizmente, anos de tentativas de replicar os resultados pela comunidade científica foram, até agora, malsucedidos, levando a acusações de má ciência ou até mesmo fraude.
A controvérsia subsequente danificou permanentemente a imagem desse conceito. Isso também levou à sua forte popularidade entre amadores, fraudes e “inventores” não sérios que não estão dispostos a expor sua “descoberta” à revisão por pares e ao escrutínio científico.
No entanto, ainda está sendo trabalhado por um pequeno número de cientistas, geralmente sob os nomes menos controversos de Reações Nucleares de Baixa Energia (LENR), Ciência Nuclear de Matéria Condensada (CMNS) ou Reações Nucleares Assistidas por Química (CANR).
Um interesse renovado no campo ocorreu na década de 2020, à medida que as pessoas buscam superar o estigma da pesquisa amadora. Notavelmente, a agência governamental dos EUA ARPA-E anunciou em 2023 uma handful de subvenções para financiar grupos de pesquisa que investigam reações nucleares de baixa energia (LENR), após resultados intrigantes alcançados por pesquisadores da NASA em 2020.
A equipe da NASA chamou seu método de “fusão de confinamento de rede”. Eles insistiram que o que fizeram não foi não fusão a frio, mas uma forma especial de fusão quente.
Ainda assim, causar fusão sem plasma deixou claro que a fusão nuclear pode ser alcançada de mais maneiras do que se pensava anteriormente, e a fusão a frio real também pode ser uma possibilidade.
Os Dois Principais Conceitos para a Fusão a Frio
Fusão Impulsionada por Metais
Um método proposto para a fusão a frio, inicialmente proposto por Pons & Fleischmann em 1989, envolvia o uso de materiais que mudam de forma para que os átomos de hidrogênio sejam capturados e forçados a se fundir. Para fazer isso, metais infundidos com átomos de hidrogênio, como paládio, érbio e titânio, foram propostos.
O conceito geral é que, ao absorver átomos de hidrogênio e aproximá-los, a rede metálica mudaria de forma. E que isso poderia de alguma forma facilitar a fusão dos átomos de hidrogênio em hélio.
Embora não seja completamente impossível, os físicos têm sido céticos em relação à ideia desde o início, pois os níveis de energia necessários para superar a tendência dos núcleos de hidrogênio a se repelir são gigantescos.
Fusão de Bolhas
Outra ideia é que a fusão nuclear poderia ocorrer em bolhas quando elas colapsam; por exemplo, bolhas podem se formar na água quando submetidas a ultrassons, uma ideia também conhecida como sonofusão.
Na teoria, as ondas de choque criadas pelo colapso de uma bolha em um líquido poderiam ser poderosas o suficiente para causar fusão, não muito diferente da maneira como as ondas de choque induzidas por laser o fazem.
Também é conhecido que a cavitação pode ser uma força muito poderosa, por exemplo, mastigando com facilidade o metal da hélice de um barco apenas com a força da bolha colapsando.
Fonte: Britannica
Um assunto contemporâneo de pesquisa envolve a emissão de luz quando a cavidade produzida por uma onda ultrassônica de alta intensidade colapsa. Esse efeito, chamado sonoluminescência, pode criar temperaturas instantâneas mais quentes do que a superfície do Sol.
Se a sonoluminescência pode nascer de “temperaturas mais quentes do que a superfície do Sol”, na teoria, também pode a fusão nuclear.
A ideia é tão controversa quanto a “clássica” fusão a frio, com seu principal promotor amplamente criticado. Mas em 2013, o debate foi reacendido:
De acordo com um novo relatório de investigação sobre os registros do Laboratório Nacional de Oak Ridge, um achado altamente divulgado em 2002 que lançou dúvidas sobre o experimento de fusão nuclear de mesa foi por sua vez lançado em dúvida.
Na verdade, o repórter que examinou o vazamento de documentos do Oak Ridge também encontrou possíveis evidências que poderiam ter apoiado alguns dos pesquisadores empenhados – incluindo o autor principal Rusi Taleyarkhan, agora na Universidade de Purdue.
Ainda assim, o interesse renovado em 2013 não produziu muitos novos resultados, e a ideia voltou para a pilha de “seria bom, mas não funciona” da história da ciência.
A Descoberta de 2024
Isso foi até que um único pesquisador, Max Fomitchev-Zamilov, presidente da Maximus Energy Corporation, nos EUA, publicou o artigo científico mencionado anteriormente na Nature.
A empresa se especializa em vender ferramentas para experimentos de física nuclear, como detectores de nêutrons, detectores de raios gama, espectrômetros de raios X, processadores de pulsos digitais, analisadores de vários canais e software de espectroscopia.
Em maio de 2024, o Dr. Fomitchev-Zamilov alegou ter detectado eventos de fusão potenciais com bolhas de água pesada (feita com deutério em vez de hidrogênio normal) misturadas com partículas de titânio.
Isso, na teoria, misturaria as duas abordagens teorizadas para a fusão a frio, com uma rede metálica de titânio e sonofusão.
Fomos capazes de sustentar a produção de nêutrons por várias horas e repetimos o experimento várias vezes sob várias condições.
Hipotetizamos que os nêutrons observados se originam da fusão nuclear de íons de deutério dissolvidos na rede de titânio devido à ação mecânica dos jatos de cavitação.
Olhando para a Fusão a Frio de Rede
Os resultados do experimento são muito interessantes. Não apenas a contagem de nêutrons de pico foi “10.000x em excesso do ruído de fundo, mas também ocorreu apenas quando ondas acústicas secundárias interferiram construtivamente resultando em picos de pressão agudos da ordem de alguns milhares de psi.“
A produção de nêutrons também pôde ser sustentada por várias horas.
Vale notar que o conjunto experimental é notavelmente compacto e usa componentes relativamente “comuns” de detectores e ferramentas de física nuclear, tornando-o um pouco fácil para outros pesquisadores replicar e testar.
Fonte: Nature
Para esse fim, a disposição do Dr. Fomitchev-Zamilov em compartilhar seus dados brutos e conjunto experimental é uma atitude refrescante em um campo frequentemente dominado por “receitas secretas.”
Um Progresso Lento
Talvez mais valioso seja o múltiplo reconhecimento no artigo publicado do que não funcionou, algo que os entusiastas da fusão a frio raramente estão dispostos a fazer.
Mais dados precisam ser coletados de experimentos para entender como otimizar a produção de nêutrons e a reação de fusão potencial.
Materiais
Sabemos a partir dessa publicação que o pó de titânio/deutério em óleo foi estável contra decadência e separação por pelo menos 6 meses.
Mas antes de qualquer discussão sobre o uso prático desse progresso potencial de fusão a frio, precisaremos saber o que é consumido no processo.
Mecanismos de Fusão a Frio de Rede
A hipótese de trabalho é que os jatos de cavitação são a causa dos picos de nêutrons observados e da fusão nuclear assumida.
Esses jatos podem “agir como pistões compactando íons de deutério armazenados na rede de titânio. Nesse caso, o material dos jatos não é importante e gotas de H2O devem ser tão eficazes quanto gotas de D2O”.
Ou talvez “os jatos devem conter íons de deutério e o mecanismo de ação é o de um feixe de íons atingindo um alvo deuteronado“.
Esclarecer entre as duas hipóteses provavelmente será o próximo passo para o Dr. Fomitchev-Zamilov.
Ecos do Trabalho da NASA?
Devemos notar que o método de “não-fusão a frio, não-plasma” descoberto por cientistas da NASA em 2020 usou elétrons poderosos para desencadear uma sequência de colisões de partículas, acelerando o suficiente para que um átomo de deutério desencadear a fusão.
Para superar essa barreira, é necessário uma sequência de colisões de partículas. Primeiro, um acelerador de elétrons acelera e colide com elétrons em um alvo próximo feito de tungstênio. A colisão entre o feixe e o alvo cria fótons de alta energia, assim como em uma máquina de raios-X convencional.
Os fótons são focados e direcionados para a amostra carregada de deutério de érbio ou titânio. Quando um fóton atinge um deutério dentro do metal, ele divide-o em um próton energético e um nêutron. Em seguida, o nêutron colide com outro deutério, acelerando-o.
Pode a cavitação, já conhecida por criar temperaturas instantâneas mais quentes do que a superfície do Sol no nível atômico, replicar o mesmo processo, mas sem um acelerador de partículas?
Energia Limpa Resolvida?
Se essa descoberta for confirmada e aperfeiçoada, isso significa que resolvemos a fusão nuclear? E que a energia limpa e abundante é apenas uma questão de tempo? Talvez, mas um ponto de dados crucial ainda está faltando: embora saibamos que nêutrons são emitidos, não sabemos quanto de energia o sistema está emitindo.
Então, o problema que tem dificultado a fusão quente até agora, produzir mais energia do que consome, pode ser um problema para a fusão a frio também.
Um ponto encorajador é que o Dr. Fomitchev-Zamilov está trabalhando em uma bancada de laboratório, longe das instalações como a Instalação Nacional de Ignição dos EUA (NIF) que entrega 500 trilhões de watts de pico de potência em um local através de 192 lasers poderosos.
Então, enquanto a saída de energia pode ser modesta, podemos inferir que a entrada também foi.
Investindo em Fusão Nuclear
Como uma ideia científica que está surgindo de uma má reputação que foi quase um carrasco de carreira para qualquer físico que trabalhe nela, a fusão a frio é muito inacessível a investidores hoje.
A água pesada é um mercado muito pequeno, com apenas $161M negociados globalmente (e um pouco mais produzido localmente), e o Canadá é o maior exportador. Um fornecedor privado é o gigante de equipamentos de laboratório e consumíveis Sigma-Aldrich, parte da Merck KGaA (MRK.DE).
Atualmente, nenhuma das empresas dedicadas a tornar a fusão nuclear comercialmente viável está listada publicamente, incluindo Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy e NEO Fusion.
Você pode encontrar uma lista extensiva de startups no espaço de fusão nuclear na página dedicada do Dealroom.
Uma exceção notável a startups privadas que dominam o campo é a empresa pública Lockheed Martin Corporation, um gigante da indústria de defesa.
1. Lockheed Martin Corporation
(LMT )
Desde o início dos anos 2010, a Lockheed trabalhou no Fusão Compacta, um reator de fusão nuclear que esperava estar pronto até a década de 2020. No entanto, foi anunciado que o trabalho no projeto foi interrompido em 2021.
A empresa foi muito discreta sobre esse projeto após um anúncio inicial muito entusiasmado. Até hoje, é incerto o que poderia ter levado a empresa a abandonar a ideia.
Ao mesmo tempo, parece que não abandonou completamente o conceito, notadamente com investimentos em 2024 na Helicity, uma startup que desenvolve um motor de fusão.
A ideia seria propelir espaçonaves com explosões curtas de fusão. A Helicity planeja usar uma arma de plasma, a mesma abordagem adotada pela General Fusion.
Potencialmente, os resultados internos da Lockheed podem ter mostrado que seu design não pode sustentar a fusão de uma maneira compatível com a produção de energia.
Mas talvez, ao mesmo tempo, explosões curtas sejam suficientes para a necessidade de propulsão no espaço e estejam mais próximas de se tornar um produto real. Isso também seria um melhor ajuste com o perfil geral da empresa, focado em aerospacial e defesa.
2. General Fusion
A General é uma das startups que lideram o caminho para tornar a fusão uma empresa do setor privado, em vez de um projeto de física financiado publicamente.
A empresa foi iniciada há tanto tempo quanto 2002 para desenvolver a tecnologia de Fusão de Alvo Magnetizado (MTF).
A MTF é esperada pela empresa para ser um caminho mais curto para a fusão com energia positiva e ser muito menos custosa. A General Fusion foi a primeira no mundo a construir e comissionar um injetor de plasma compacto em escala de usina em 2010 e alcançou muitos mais marcos desde então.
Fonte: General Fusion
A empresa pretende alcançar a fusão com 100 milhões de graus Celsius de temperatura em 2025 e progredir em direção ao ponto de equilíbrio de energia (retorno positivo da fusão nuclear) em 2026. Antes disso, um modelo em escala 1/5 foi feito em 2023, e seu desempenho correspondeu às expectativas dos modelos de computador.
No geral, a General Fusion passou 2 décadas construindo passo a passo cada uma das tecnologias centrais de seu design final, testando cada uma ao longo do caminho e validando com sucesso a ideia, pelo menos até agora.
Fonte: General Fusion
Como uma empresa privada, não teve que discutir e negociar nenhuma alteração de design, contrariamente a projetos internacionais como o ITER. Pôde também escolher a tecnologia por seu próprio mérito, sem ter que decidir se um contrato específico deveria ser concedido a um país, independentemente de razões políticas.
É por isso que muitos esperam que a General Fusion e algumas de suas concorrentes consigam o que os grandes projetos governamentais podem não conseguir.
3. TAE Technologies
Anteriormente conhecida como Tri Alpha Energy, a empresa da Califórnia se concentra em desenvolver tecnologia de energia de fusão. A TAE Technologies está atualizando sua plataforma de fusão, Norman, para uma máquina de sexta geração chamada Copernicus.
Fonte: TAE
A tecnologia da TAE depende de aceleradores de partículas para injetar energia no plasma e “agir como um agente espessante que o torna mais gerenciável”.
A empresa também usa extensivamente a impressão 3D na fabricação do Copernicus, permitindo iterações rápidas de novas peças e resolução de problemas mais rápida. Por exemplo, conseguiu imprimir alguns componentes do reator para metade do peso do que a fabricação convencional teria alcançado.
Fonte: TAE
Se tudo correr bem, a empresa espera construir sua primeira usina de energia protótipo que possa se conectar à rede na década de 2030, que seria escalada para desenvolver “robusta e confiável” energia comercial ao longo da década.
A fusão, de acordo com seu CEO Michel Binderbauer, nos levaria a um “paradigma de abundância”.
Durante os últimos 25 anos, a empresa operou em um modelo “dinheiro por marco”, onde cada rodada de financiamento é ganha apenas com base em marcos que foram prometidos aos investidores.
Em 2022, o Google e a Chevron investiram na TAE Technologies como parte da arrecadação de financiamento de $250 milhões da empresa. O Google tem sido parceiro da TAE por uma década agora e fornece à empresa inteligência artificial e poder computacional.
A empresa também oferece serviços de ciências da vida (Terapia de Captura de Nêutrons de Boro – BNCT) e soluções de energia como baterias e mobilidade elétrica.
4. Helion
A Helion visa criar fusão com deutério e hélio-3, em vez da abordagem mais comum de se concentrar na fusão com trítio.
Normalmente, o hélio-3 é muito difícil de encontrar. Mas a Helion tem um método para produzi-lo a partir do deutério em seu próprio reator. Caso contrário, alternativas não comprovadas, como a mineração na Lua, provavelmente seriam necessárias.
Como a maioria das empresas privadas de fusão, a Helion usa tecnologia de injeção de plasma.
Outra característica única da Helion é o objetivo de capturar eletricidade diretamente do plasma, usando a Lei de Faraday para induzir uma corrente, pulando diretamente o ciclo de aquecimento a vapor comum em usinas de energia nuclear.
Essa movimentação é bastante ousada, mas também pode aumentar o rendimento de futuras usinas de energia em 2-3 vezes, pois a conversão de calor em vapor em energia é geralmente de baixa eficiência. É também um procedimento intensivo em capital.
A usina de energia de fusão da Helion é projetada para ter um custo de combustível negligenciável, baixo custo operacional, alta disponibilidade e custo de capital competitivo. Nossas máquinas exigem um custo de equipamento de capital muito menor porque podemos fazer a fusão de forma tão eficiente e não precisamos de grandes turbinas a vapor, torres de resfriamento ou outros requisitos caros de abordagens de fusão tradicionais.
A Helion opera atualmente Trenta, seu reator de sexta geração, que alcançou 10.000+ pulsos e temperaturas de 100 milhões de graus Celsius.
Fonte: Helion
Agora está se movendo para Polaris, seu próximo modelo, que deve ter pulsos magnéticos 100x mais rápidos do que o Trenta, o que o tornaria a primeira fusão nuclear a produzir um ganho líquido de eletricidade.
Vale notar que o Polaris teria 19m de comprimento, longe de uma instalação gigante em comparação com outros designs de reatores de fusão mais clássicos.
