Fusão nuclear: por que a corrida para dominar a energia do Sol se acelerou? - 26/11/2021 - Mercado - Folha
Avanços tecnológicos e financiamento geraram otimismo em uma área que prometeu muito, mas entregou pouco em seis décadas
Tom Wilson Ian Bott
Oxford e Londres | Financial Times
Uma excitação nervosa paira no ar. Meia dúzia de cientistas sentados diante de telas de computador examinam diferentes painéis enquanto fazem verificações de último minuto. "Vá e torne a arma perigosa", diz um deles a um técnico, que entra numa sala vizinha. Ouve-se um sinal sonoro forte. "Pronto", diz a pessoa que dirige o teste. A sala de controle cai em silêncio. Então, bum!
Na sala ao lado, três quilos de pólvora comprimiram 1.500 litros de hidrogênio a 10 mil vezes a pressão atmosférica, lançando um projétil pelo cano de nove metros de uma arma a gás leve de duplo estágio a uma velocidade de 6,5 km por segundo, cerca de dez vezes mais rápido que a bala de um rifle.
Nos monitores, os cientistas verificam a etapa seguinte, quando o projétil se choca com o alvo —um pequeno bloco transparente cuidadosamente projetado para ampliar a força da colisão. O projétil precisa atingir sua marca com força total. A menor rotação apresenta o risco de desviar a física cuidadosamente calibrada.
"Graças a Deus", exclama um dos técnicos, depois de rever um vídeo do impacto da artilharia científica. Foi um tiro perfeito.
Trabalhador caminha em frente a uma parte do criostato, parte do Iter responsável que "resfriar" o maquinário responsável pela fusão - Clement Mahoudeau - 28.jul.2020/AFP
Os ocupantes da sala da First Light Fusion (primeira fusão da luz), em um complexo empresarial próximo à cidade inglesa de Oxford, acabavam de presenciar mais um passo esperançoso em uma missão de 60 anos para responder a um dos problemas mais complexos da ciência: como dominar a reação de fusão que energiza o Sol para gerar eletricidade limpa e ilimitada na Terra.
O potencial da energia de fusão, primeiramente estudada pela União Soviética, intriga os cientistas há décadas, mas sempre pareceu fora de alcance.
"A fusão é provavelmente o maior desafio técnico que a humanidade já enfrentou", diz Arthur Turrell, cujo livro "The Star Builders" (Os construtores de estrelas) mapeia o esforço de décadas de engenheiros, físicos e matemáticos para alcançar o que alguns ainda acreditam ser impossível. "Quão perto está não depende do tempo, mas da vontade, do investimento e da dedicação de recursos para realmente chegar lá."
Um número crescente de empresas privadas, incluindo a First Light, agora espera comercializar esses anos de pesquisa pública provando que a energia da fusão pode funcionar, e conectá-la à rede até a década de 2030.
Diferentemente da fissão nuclear, em que os átomos são divididos, a fusão não produz lixo radioativo significativo e nunca poderia resultar num acidente nuclear como Chernobyl. Os insumos mais eficientes para a fusão —deutério e trítio— também são amplamente disponíveis.
Apenas um copo do combustível criado pelo processo tem o potencial energético de quase 4 milhões de litros de óleo e poderia gerar, dependendo da abordagem da fusão, até 9 milhões de kilowatts-hora de eletricidade, o suficiente para abastecer uma residência durante mais de 800 anos, avaliam os cientistas.
Essas características, segundo os proponentes, significam que a fusão, ao fornecer eletricidade barata, ilimitada e com zero emissões, poderia realmente salvar o mundo.
"Eu não poderia estar mais otimista", diz o investidor de risco do Vale do Silício Sam Altman, que recentemente investiu US$ 375 milhões (R$ 2,1 bilhões) na Helion, uma startup de fusão. "Além de ser nosso melhor caminho para sair da crise climática, energia menos cara é transformadora para a sociedade."
Ideia da era soviética se tornou privada
Físicos soviéticos desenvolveram a primeira máquina de fusão nos anos 1950, usando uma abordagem conhecida como fusão de confinamento magnético. O "tokamak" —sigla em russo para "câmara toroidal com resistências magnéticas"— permitiu que um plasma de deutério e trítio, ambos isótopos de hidrogênio, fossem mantidos no lugar por ímãs poderosos e aquecidos a temperaturas maiores que a do Sol para que os núcleos atômicos se fundam, criando hélio e liberando energia no processo.
O problema é que, embora os cientistas tenham alcançado a capacidade de fundir os dois isótopos, o tokamak soviético e todos os outros sistemas de fusão desenvolvidos desde então exigem uma vasta quantidade de energia. E em mais de meio século de experiências nenhum grupo conseguiu gerar mais energia de uma reação de fusão do que o sistema consome.
"Quando vamos obter eletricidade da fusão? Quem diabos sabe?", diz Steven Krivit, autor científico que há 20 anos é um observador crítico das partidas falsas da fusão nuclear. "Até que vejamos alguém entregando eletricidade com eficiência de custo estaremos fazendo ciência, e não tecnologia."
Mas depois de uma série de avanços nos setores público e privado nos últimos seis meses alguns participantes do setor estão bem mais animados. Na China, em maio, uma máquina chamada East —Experimental Advanced Superconducting Tokamak (Tokamak supercondutor avançado experimental)— conseguiu sustentar uma reação de fusão a 120 milhões de graus Celsius durante um recorde de 101 segundos. Temperaturas acima de 100 milhões de graus, geralmente exigidas para a fusão de confinamento magnético, tinham sido atingidas antes, mas nunca mantidas durante tanto tempo.
Então em setembro uma startup situada em Boston demonstrou o uso de um supercondutor de alta temperatura para gerar um campo magnético muito mais forte do que um tokamak tradicional. O grupo, Commonwealth Fusion Systems, que surgiu do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), acredita que a descoberta vai permitir que ele faça uma máquina de fusão mais eficiente que será menor, mais barata e mais viável como fonte comercial de energia.
Bob Mumgaard, executivo-chefe da CFS, compara o avanço com a evolução da computação. "Os computadores, na época em que tinham tubos de vácuo, ocupavam salas inteiras. Depois, quando eles tinham transistores, você podia fazer computadores menores e, de repente, as pessoas que não faziam computadores podiam fazer computadores", diz ele.
"A fusão tem tantos atributos realmente desejáveis, se você pensar no que é necessário para o mundo inteiro viver do modo como as pessoas merecem viver e também ter um planeta habitável", diz ele. O próximo passo na direção da produção de energia é a construção de uma usina de demonstração chamada Sparc, mais ou menos do tamanho de meia quadra de tênis, que a CFS espera que conseguirá energia líquida em 2025, e depois uma estação de energia comercial na década de 2030.
"Estamos usando ciência já conhecida, com nova engenharia e novos materiais", diz Francesca Ferrazza, física da petrolífera italiana Eni, que colabora com o MIT desde 2008 e é a maior investidora externa da CFS. "A ambição seria ser um player no campo [de energia de fusão], com presença significativa em partes diferentes da cadeia de valor", explica.
"A fusão está chegando mais depressa do que você espera", diz Andrew Holland, executivo-chefe da recém-formada Associação da Indústria de Fusão, que conta com 35 empresas privadas no setor em todo o mundo e está crescendo.
Uma espera paciente
A participação privada no setor é relativamente nova. Na segunda metade do século 20, a pesquisa de fusão foi desenvolvida por consórcios públicos internacionais, e os maiores projetos do mundo continuam sendo financiados por governos.
O Departamento de Energia dos EUA ajudou a criar o Centro de Fusão de Plasma do MIT —hoje Centro de Ciência e Fusão de Plasma— em 1976 em reação à crise do petróleo e ao aumento dos preços. O Joint European Torus, que continua sendo o tokamak mais avançado do mundo, foi inaugurado em Culham, uma aldeia ao sul de Oxford, em 1984. Então, em 1985, o presidente americano Ronald Reagan e Mikhail Gorbachev, seu homólogo soviético, concordaram em cooperar no Iter —o Reator Termonuclear Experimental Internacional—, o maior projeto de fusão nuclear do mundo, para aliviar as tensões da guerra fria.
Alguns especialistas acreditam que o Iter ainda deve produzir energia líquida primeiro, mas o projeto, uma colaboração entre 35 países que permanece em construção na França há quase 40 anos a um custo estimado em mais de US$ 20 bilhões (R$ 111,5 bilhões), tornou-se sinônimo de progresso congelado.
"Nenhuma das empresas privadas de fusão estaria aqui hoje sem a ciência que foi desenvolvida no programa Iter", diz Christofer Mowry, executivo-chefe da General Fusion do Canadá. "Mas o custo e o cronograma do Iter não devem ser usados como ponto de referência para o que é necessário para desenvolver e comercializar a energia de fusão."
Mowry, que ingressou na empresa apoiada por Jeff Bezos em 2017, tem certeza de que será o setor privado que tornará a energia de fusão uma realidade. Ele compara isso ao papel que a SpaceX de Elon Musk desempenhou no avanço das perspectivas de acesso comercial ao espaço.
"A SpaceX não inventou a ciência dos foguetes. Ela pegou 50 anos de pesquisa, borrifou um pouco dessas tecnologias modernas e fez um Apollo melhor, mais rápido e mais barato", afirma ele, referindo-se ao programa da agência espacial americana.
A abordagem da General Fusion, que ela chama de fusão de alvo magnetizado, é incomum por ter sido projetada com o objetivo de uma usina de energia comercialmente viável, diz Mowry. Ela usa uma série de pistões movidos a vapor para comprimir rapidamente o plasma em condições de fusão, e uma parede de metal líquido para absorver o calor da reação, que é então usado para produzir vapor, que aciona um gerador de turbina. A construção de sua primeira usina de demonstração está programada para começar no próximo ano, também em Culham, e ser concluída em 2025.
No total, as empresas de fusão privadas levantaram US$ 2,3 bilhões em investimentos, de acordo com a associação do setor. Mais de um quinto desse financiamento foi obtido apenas este mês pela Helion, de Altman, usando outra abordagem, que chama de fusão pulsada sem ignição. Envolve o aumento da temperatura do combustível para 100 milhões de graus em um "acelerador de plasma" em formato de haltere de 12 metros de largura e 6 metros de altura para captar a energia conforme a reação expande e empurra de volta o campo magnético do sistema.
Mowry argumenta que a variedade de abordagens é um dos pontos fortes do setor emergente. "A indústria privada aceita mais riscos para avançar mais depressa e mais barato", afirma. "Isso significa que nem todos os tiros acertarão, mas o mundo não precisa que todos acertem."
Um setor contaminado
No First Light em Oxford, as esperanças dos cientistas não estão fixas no canhão de gás —que é usado para testar a ciência, mas não fará parte do futuro sistema de energia—, e sim no alvo usado para abrigar o combustível de deutério-trítio e ampliar o impacto do projétil.
A hipótese da First Light, baseada na teoria da fusão por confinamento inercial, é que ao disparar um projétil no alvo a velocidades superiores a 20 km por segundo —o suficiente para viajar de Londres a Nova York em 4 minutos— eles poderão criar energia suficiente para forçar o deutério e o trítio a se fundirem, vaporizando o alvo, enquanto gera energia equivalente à queima de dez barris de petróleo.
Fundada pelo executivo-chefe Nicholas Hawker, 36, e seu ex-professor de física Yiannis Ventikos, a First Light é cautelosa quanto à composição e ao projeto do alvo, que a empresa mantém bem vigiado. A réplica em sua sede —um cubo transparente, com pouco mais de um centímetro de largura, envolvendo duas cápsulas esféricas— parece um adereço de um filme de super-herói.
"É a cápsula de café espresso definitiva", diz Hawker, explicando que a First Light espera fabricar e vender os alvos para futuras usinas —construídas conforme seu projeto— que precisariam vaporizar um a cada 30 segundos para gerar energia contínua. Ele foi atraído, segundo diz, por "trabalhar além dos limites do conhecimento humano".
É exatamente essa complexidade, porém, que torna as afirmações difíceis de verificar e contamina o setor.
Em 1951, no auge da guerra fria, Juan Perón, o presidente da Argentina, convenceu o mundo de que seus cientistas tinham dominado a energia da fusão, gerando manchetes de jornais globais. O combustível de fusão logo estaria disponível, como o leite, disse ele, em garrafas de meio litro. Quase quatro décadas depois, em 1989, dois químicos da Universidade de Utah disseram que conseguiram fundir núcleos em temperatura ambiente em uma célula eletroquímica simples numa bancada de laboratório, afirmação que ruiu em semanas.
Esses incidentes continuam pesando sobre a indústria. Krivit, o autor científico, afirma que até que um grupo mostre que consegue gerar eletricidade a partir de uma reação de fusão os potenciais investidores devem tratar as afirmações das empresas privadas com ceticismo.
No entanto, sem dúvida, está havendo progresso, inclusive na Instalação Nacional de Ignição do governo dos Estados Unidos, onde em agosto os cientistas usaram 192 lasers para gerar uma reação de fusão que parece ter chegado o mais perto de alcançar energia líquida.
"Foi o maior avanço na fusão literalmente em décadas", diz Turrell, acrescentando que colocar a energia de fusão na rede em 2030 é uma "grande ambição".
"Mas se eles chegarem lá em 2040 ainda assim será uma grande vitória para o mundo", acrescenta. "E mesmo que cheguem lá depois de 2050 e o mundo [já] tenha atingido o zero líquido, ainda será uma grande vitória para a humanidade, porque precisamos de um portfólio de fontes de energia."
Nesse estágio, diz Turrell, a fusão poderia ser usada para alimentar sistemas de captura de carbono com uso intensivo de energia, permitindo que o mundo comece a reverter, em vez de desacelerar, alguns dos danos ambientais causados pelas mudanças climáticas.
Hawker concorda com essa opinião. As fontes existentes de energia renovável, especialmente eólica e solar, podem ser ampliadas para substituir os combustíveis fósseis, mas terão dificuldade para atender aos aumentos previstos na demanda de energia devido à eletrificação do sistema global de energia e ao aumento do consumo de energia nos países em desenvolvimento, diz.
Em 2050, o mundo precisará de 12 vezes mais eletricidade limpa do que é produzida hoje, diz ele, citando o trabalho do escritor climático Solomon Goldstein-Rose. "Qualquer coisa que tenhamos que acrescente à imagem existente é uma grande coisa", diz Hawker, "e deveríamos estar fazendo isso em velocidade máxima."
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