Artigo CBPF-UERJ sobre fusão ganha destaque

Com boa repercussão na mídia internacional, artigo publicado por pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e do Instituto de Física da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (IF-UERJ), com uma nova visão sobre o processo que permite às estrelas gerar luz e energia, acaba de estampar a capa de periódico europeu e ganhar destaque dos editores da publicação.

O tema do trabalho é a fusão nuclear, fenômeno no qual dois ou mais núcleos atômicos se fundem, formando um novo, de maior número atômico. Esse é o processo por meio do qual as estrelas, como o nosso Sol, geram calor e radiação.

Há várias formas de realizar a fusão. Uma delas – tema do trabalho CBPF-UERJ – é aquela catalisada por múons (ou, de forma simples, ‘elétrons pesados’). Nesse processo, os elétrons, que orbitam os núcleos atômicos, são substituídos por múons em átomos ‘leves’, como hidrogênio (um próton e um elétron) e em duas das variações (isótopos) desse elemento químico, o deutério (um próton, um nêutron e um elétron) e o trítio (um próton, dois nêutrons e um elétron).

Com a substituição, esses átomos passam a ser denominados muônicos. Como os múons têm massa cerca de 200 vezes maior que a do elétron, isso faz com que eles orbitem o núcleo atômico a distâncias menores do que esta última partícula.

Fusão facilitada

Uma vez obtidos átomos muônicos, é possível formar moléculas muônicas. Usando o hidrogênio e suas variações, elas teriam a seguinte estrutura: hidrogênio-hidrogênio-múon, deutério-deutério-múon e trítio-trítio-múon. Tecnicamente, elas são denominadas, respectivamente, ppµ, ddµ, ttµ.

Uma das características dessas novas moléculas é que seus núcleos estão cerca de 200 vezes mais próximos um do outro, por causa da substituição dos elétrons por múons. Essa proximidade é essencial para facilitar a fusão nuclear. Esse processo pode ocorrer a temperaturas muito mais baixas que as necessárias em outros métodos convencionais de fusão – pode chegar mesmo, segundo cálculos, a ocorrer à temperatura ambiente.

Diferentemente da fissão – ‘quebra’ de núcleos atômicos empregada nas usinas nucleares, por exemplo –, a fusão é tida como um processo mais ‘limpo’, por não produzir tantos resíduos radioativos de longa vida – o armazenamento desse material ainda hoje é um desafio tecnológico imenso.

Por essas e outras características, a fusão tem sido algo de grande interesse científico e tecnológico por parte de governos, que buscam nela nova fonte de energia para a humanidade. Por exemplo, este mês, o governo do Reino Unido anunciou planos para a construção do primeiro reator a fusão, equipamento que deve, segundo especialistas, começar a produzir energia por volta de 2040. Os EUA, por meio de seu Departamento de Energia, também iniciaram discussões para a construção de um protótipo.

Por volta de 2025, o projeto internacional ITER, no sul da França, deve começar suas operações. O principal objetivo do equipamento é mostrar que a fusão é um processo viável, ou seja, produz mais energia do que consume.

Ainda não viável

Apesar de ser um método conhecido e bem aceito, a energia gerada na fusão ainda é menor do que aquela usada para produzir essa reação – isso vale também para a fusão catalisada por múons. Ou seja, do ponto de vista prático, não é viável.

Estudos têm tentando melhorar a quantidade de energia produzida, alterando a temperatura (em geral, altíssimas, na fusão ‘convencional’), a quantidade de elementos envolvidos ou até mesmo empregando diferentes estados da matéria. Porém, até o presente momento, não há avanços significativos que tornem a fusão catalisada por múons economicamente rentável.

Mas, nas últimas décadas, a criação de novos materiais, como o grafeno (uma ‘fita’ de espessura atômica de átomos de carbono), foi capaz de criar camadas tão finas que possibilitaram o estudo experimental de uma física de baixa dimensionalidade – no caso, no plano (2D) e não no espaço tridimensional (3D)

Nesse cenário bidimensional, foram observadas, por exemplo, mudanças nas interações entre as partículas – principalmente, na ‘atração elétrica’ (interação coulombiana) entre dois corpos carregados em duas dimensões. E isso abriu novas fronteiras para a pesquisa em fusão.

Nova visão

O artigo publicado na European Journal Physical D é assinado por Francisco Caruso, pesquisador titular, e Amós Troper, pesquisador emérito, ambos do CBPF, bem como Vitor Oguri, professor titular do IF-UERJ e seu estudante de doutorado Felipe Silveira, também orientado por Caruso.

O artigo propõe uma nova visão para o problema por meio de duas perguntas básicas: i) “e se a dimensionalidade do espaço tiver impacto significativo na fusão catalisada por múons?”; ii) “será que poderíamos fazer esse tipo de fusão em duas dimensões?”

Os quatro autores alegam não ter resposta para a segunda pergunta. Mas dizem ter indícios teóricos para responder à primeira com um “sim”. Ao proporem alterar a dimensão espacial de 3D para 2D, eles dizem ter sido capazes de observar resultados teóricos que indicam melhora significativa em parâmetros importantes para a fusão catalisada por múons.

Eles calcularam, por exemplo, a probabilidade de os núcleos de moléculas muônicas estarem a uma distância da ordem de 10 fm (ou seja, 10 x 10^-15 m) ou menos – esse é mais ou menos o raio médio de um núcleo atômico.

Na figura 1, temos três moléculas muônicas e uma molécula eletrônica – indicada por dde – usada como comparação. Pode-se observar que, em duas dimensões, a probabilidade é muito maior do que para o mesmo caso em três dimensões.

Figura 1. Probabilidades (em 2D e 3D) para distâncias entre núcleos iguais ou menores que 10 fm

(Crédito: Caruso et al.)

Outro fator calculado foi o coeficiente de tunelamento quântico, fenômeno probabilístico restrito ao mundo subatômico no qual uma partícula é capaz de atravessar uma barreira (tecnicamente, barreira de potencial) mesmo se ter energia para isso. O tunelamento é essencial para que dois ou mais núcleos se fundam. Os cálculos dos quatro pesquisadores mostraram que a probabilidade de isso ocorrer é muito maior em duas dimensões (figura 2).

Figura 2. Probabilidade de tunelamento para núcleos muônicos em 2D e 3D

(Crédito: Caruso et al)

Esses resultados teóricos servem de incentivo para futuras buscas experimentais pela fusão catalisada por múons em duas dimensões, visto que, com base neles, foi possível identificar significativo aumento nas taxas de fusão.

Mais informações:

Artigo: https://bit.ly/34iOmZ2

Primeiro reator a fusão: https://bit.ly/2LFB6al

Phys.org: https://phys.org/news/2020-12-characterising-cold-fusion-d.html

Florida News: https://bit.ly/2Woop5V

EurekAlert: https://bit.ly/38bhYZr

Science Codex: https://bit.ly/3aluMz6