A energia de fusão pode estar a 30 anos de distância, mas colheremos seus benefícios bem antes | Física

Cuando a primeira máquina a vapor comercial de James Watt foi instalada em março de 1776 na Bloomfield Colliery, Tipton, em West Midlands, ela foi aclamada como uma maravilha mecânica. No entanto, poucos poderiam ter previsto a maneira como as máquinas a vapor mudariam o mundo.

Desenvolvida inicialmente para bombear água de minas, a tecnologia foi adaptada em tantas indústrias e aplicações que desencadeou a Revolução Industrial. Agora, de acordo com aqueles que trabalham no desenvolvimento de usinas de energia de fusão, estamos à beira de uma transformação semelhante. “Vejo todo esse esforço como tendo as características de uma tecnologia de propósito geral no mesmo espírito de Watt”, diz Lu-Fong Chua, diretor de estratégia da TAE Power Solutions em Birmingham.

A fusão é o mecanismo de geração de energia que faz as estrelas brilharem. O clichê é que a fusão projetada pelo homem na Terra está sempre “a 30 anos de distância”. Mas se conseguirmos fazê-la funcionar, ela promete tais quantidades de energia limpa que finalmente seremos capazes de deixar os combustíveis fósseis para trás.

Grandes esforços patrocinados pelo estado e, cada vez mais, startups privadas estão relatando avanços que muitos na indústria agora acham que levarão à energia de fusão viável. Ressaltando seu otimismo, em 2022 o governo do Reino Unido anunciou o local para o Tokamak Esférico para Produção de Energia (ETAPA), em West Burton, em Nottinghamshire. Esta usina de demonstração visa fornecer eletricidade para a rede nacional até a década de 2040. E ao desenvolver tais usinas de energia de fusão, estamos criando novas tecnologias e soluções que podem ir muito além da tarefa de geração de energia.

Por exemplo, Soluções de energia TAE é uma spin-out da TAE Technologies dos Estados Unidos, que foi fundada em 1998 para desenvolver energia de fusão comercial. Obrigada a inventar uma maneira de coletar e armazenar 750 megawatts (a energia necessária para dar vida ao seu reator experimental) de uma rede elétrica comercial capaz de fornecer apenas 2 megawatts, a empresa agora está adaptando suas inovações para fornecer baterias mais eficientes para a próxima geração de veículos elétricos.

“Não vemos isso como projetos paralelos; vemos isso como subprodutos felizes que têm um valor intrínseco muito alto por si só para resolver problemas e desafios além da geração de energia”, diz Chua.

No Reino Unido, a Autoridade de Energia Atómica (UKAEA) estabeleceu a Cluster de Fusão em Culham, Oxfordshire, para estimular o crescimento de uma indústria de fusão.

Desde sua criação em 2021, o cluster cresceu de um punhado de empresas para mais de 200. Embora o objetivo principal continue sendo o desenvolvimento das habilidades e da tecnologia necessárias para construir uma usina de energia de fusão comercial no Reino Unido até a década de 2040, a comercialização dos spin-offs também é uma alta prioridade.

“Um dos papéis que o Fusion Cluster desempenha é dizer às pessoas que não apenas a fusão está chegando, mas que há valor nela, mesmo anos antes de termos as primeiras usinas de energia de fusão, porque temos essas tecnologias facilitadoras surgindo”, diz Valerie Jamieson, gerente de desenvolvimento do centro.

É uma mensagem que estimula o investimento, como disse Greg Piefer, fundador e CEO da Tecnologias Shinepercebeu no início dos anos 2000 quando viu que desenvolver energia de fusão comercial seria um caminho longo e custoso. Isso o levou a pensar em como as tecnologias que estavam sendo desenvolvidas poderiam ser implantadas para lucro ao longo do caminho, para que os investidores pudessem ver um retorno mais imediato sobre seu dinheiro. “É essencial para a missão de comercializar a fusão”, ele diz.

Atualmente, há quatro áreas principais nas quais a tecnologia de spin-off de fusão desempenha um papel fundamental.

Propulsão

Uma das coisas aparentemente impossíveis que um reator de fusão deve fazer é confinar um gás a cerca de 100m celsius – quente o suficiente para derreter qualquer material. Felizmente, a essa temperatura o gás se torna eletricamente carregado e, portanto, pode ser controlado por campos magnéticos.

A força do campo determina o tamanho do reator e, portanto, quão econômico é construí-lo. Portanto, criar ímãs altamente eficientes tem sido um objetivo central de Energia Tokamakparte do Fusion Cluster e sediada em Milton Park, Oxfordshire. Em 2023, eles anunciaram a criação de uma nova geração de ímãs supercondutores de alta temperatura que fornecem campos magnéticos estáveis ​​10 ou até 20 vezes mais fortes do que as tecnologias existentes. Esses ímãs não apenas abrem um caminho para uma máquina de fusão viável, mas também “podem transformar [existing] mercados e criar novos mercados”, diz Warrick Matthews, CEO da Tokamak.

Uma dessas áreas é a criação de acionamentos magnetohidrodinâmicos (MHD). Conhecidos pelos teóricos desde a década de 1950, os acionamentos MHD usam campos magnéticos para criar jatos de um fluido eletricamente carregado que impulsionam um veículo. A beleza é que eles não têm partes móveis, então não sofrem desgaste.

As aplicações marítimas são particularmente atraentes porque a água do mar conduz eletricidade muito melhor do que a água doce. Como os motores são silenciosos, eles prometem um grande corte na poluição sonora prejudicial que afeta os ambientes marinhos. Na década de 1990, a Mitsubishi construiu o primeiro protótipo de navio MHD do mundo, o Yamato 1, mas o programa foi abandonado quando sua velocidade máxima provou ser de apenas 15 km/h (pouco mais de 8 nós).

Ao fornecer campos magnéticos muito mais altos e, portanto, mais empuxo, os ímãs da Tokamak Energy devem mudar o jogo. A empresa está atualmente colaborando com a US Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) para provar o conceito com um dispositivo de demonstração.

Aplicações médicas

Existem várias reações possíveis que uma máquina de fusão pode usar para gerar energia. Em 1998, a TAE escolheu buscar a fusão de átomos de boro com prótons, o que abriu seus olhos para um antigo programa de pesquisa sobre cura do câncer. Pioneiros atômicos na década de 1930 mostraram que o boro possuía uma forte afinidade para reagir com partículas de nêutrons para se dividir em lítio e hélio. Em 1936, Gordon Locher do Instituto Franklin na Pensilvânia destacou o potencial da reação para destruir células cancerígenas. À medida que o lítio e o hélio recuam, eles depositam sua energia em uma faixa de cerca de 5 a 9 micrômetros, o tamanho de uma célula cancerígena típica. Essa liberação repentina de energia destrói a célula.

Embora o boro possa ser introduzido no paciente com medicamentos, encontrar uma fonte adequada de nêutrons em meados do século XX era um grande problema. Historicamente, o paciente tinha que ser levado a um reator nuclear e exposto aos nêutrons de seu núcleo. Dificilmente o ideal. Agora, o problema está quase resolvido. Uma inovação fundamental do programa de fusão da TAE foi a criação de aceleradores de partículas compactos que podem ser usados ​​para gerar feixes de nêutrons bem focados. Na fusão, eles são usados ​​para abastecer os reatores.

“Podemos pegar esses feixes e reconfigurá-los para fins médicos”, diz Rob Hill, CEO da TAE Ciências da Vida.

A empresa está atualmente em discussões com os hospitais universitários de Birmingham e o hospital University College de Londres para instalar aparelhos experimentais. Enquanto isso, a Shine Technologies está produzindo lutécio-177, um isótopo medicamente útil, em suas instalações em Janesville, Wisconsin, e Veendam, na Holanda.

O lutécio também é usado para atingir o câncer, administrado de forma semelhante em um medicamento que se liga às células cancerígenas. Ao contrário do boro, ele não precisa de nêutrons para ativá-lo. Em vez disso, ele é radioativo e decai com uma meia-vida de cerca de seis dias e meio, emitindo um elétron de alta energia que despedaça a célula cancerígena. Ele também emite um raio gama, abrindo a possibilidade de um dispositivo de imagem médica que pode rastrear o progresso do câncer e a eficácia do tratamento.

No entanto, ter uma meia-vida tão curta significa que o isótopo não existe na natureza e, portanto, deve ser criado usando tecnologia de fusão.

Imagem industrial

Um método de ignição da fusão é usar lasers para comprimir e aquecer uma pastilha de combustível de hidrogênio. Enquanto pesquisavam os lasers necessários para fazer isso no início dos anos 2000 no Lawrence Livermore National Laboratory na Califórnia, o físico Markus Roth e colegas descobriram que se mudassem o alvo para uma fina folha de material, eles poderiam acelerar partículas da folha a velocidades enormes.

Em 2021, Roth estabeleceu Energia Focada em Darmstadt, Alemanha, para desenvolver um sistema laser capaz de acelerar um feixe de nêutrons com 100 vezes a intensidade das tecnologias existentes. Os nêutrons podem ser usados ​​como raios X para geração de imagens, mas são mais penetrantes, o que significa que podem ver dentro de materiais mais densos, e Roth está atualmente em discussões com empresas de engenharia civil para implantar o sistema para inspecionar o aço dentro de edifícios de concreto e pontes em busca de sinais de corrosão. A mesma técnica também pode produzir partículas chamadas múons, abrindo projetos de geração de imagens ainda maiores.

Os múons são criados naturalmente quando partículas do sol atingem átomos na atmosfera superior da Terra. Eles têm um tremendo poder de penetração e foram usados ​​depois de 2011. Fukushima acidente nuclear para localizar o núcleo do reator derretido. Um conjunto semelhante de detectores revelou uma câmara previamente escondida em 2017 na grande pirâmide de Gizé, no Egito. Geólogos usaram múons para investigar o movimento do magma em vulcões antes das erupções.

A desvantagem é que a quantidade de múons naturais é relativamente baixa. Levante sua mão em direção ao sol e apenas um múon passará pela sua palma a cada segundo. Como resultado, levou cinco meses para obter a imagem do núcleo de Fukushima.

O método de laser de Roth poderia melhorar o número de múons por um fator de 10.000, acelerando tremendamente o processo de geração de imagens, embora o desenvolvimento de sistemas grandes o suficiente para estudar vulcões atualmente esteja em algum lugar no futuro.

Manuseio de resíduos nucleares

Atualmente, o maior projeto de spin-out da Focused Energy é um contrato com o governo alemão para construir a primeira fonte de nêutrons acionada por laser para examinar contêineres de resíduos nucleares.

Tendo fechado suas últimas usinas nucleares restantes em 2023, a Alemanha agora precisa lidar com os resíduos, que vêm se acumulando há décadas. O sistema de imagens da Focused Energy determinará o conteúdo dos barris e em que condições os resíduos estão, para que possam ser armazenados com segurança e finalmente.

Do outro lado do Atlântico, a Shine está planejando dar um passo adiante. Em vez de usar nêutrons para gerar imagens dos resíduos, se o feixe de nêutrons puder ser mais intenso, ele pode transformar os resíduos em substâncias menos prejudiciais. Por exemplo, reatores nucleares tradicionais dividem urânio-235 ou plutônio-239 para produzir energia. O resíduo é iodo-129, com meia-vida de mais de 15 milhões de anos. No entanto, se pudesse ser bombardeado com um feixe de nêutrons de alta intensidade, ele seria transformado em iodo-128, que tem meia-vida de apenas 25 minutos.

“Você pode se livrar desse problema de 10 milhões de anos em um dia”, diz Piefer.

Acontece que o tipo de nêutrons necessários para fazer isso será feito em abundância em muitas usinas de fusão. Então, os reatores do futuro não só resolverão os problemas de energia do mundo, mas podem ser aproveitados para ajudar a limpar o legado sujo dos primeiros reatores nucleares.

“Acredito que a fusão, em última análise, será um divisor de águas semelhante à máquina a vapor”, diz Roth. “Seremos capazes de fazer muitas coisas em nossa sociedade que não eram possíveis antes, e isso começa com a limpeza de muita bagunça da Revolução Industrial.”