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A Fusão Nuclear e a Energia do Som

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Por Leonardo Santelices A.

“Porque o som cria, ou melhor, congrega os elementos que produzem ozônio,

cuja fabricação ultrapassa as possibilidades da Química, colocando-o na esfera da Alquimia”. H.P.B. – Doutrina Secreta

A vitalidade nas suas diferentes expressões é fundamentalmente um intercâmbio e transformação constante de energia, por isso todo ser vivo participa obrigatoriamente deste constante intercâmbio no qual consome e acrescenta energia ao ciclo.

A sociedade humana tem desenvolvido nos últimos anos, a partir da evolução industrial, uma grande quantidade de máquinas e aparelhos que permitem uma vida mais confortável para as pessoas, substituindo o ser humano nas tarefas mais pesadas, permitindo o transporte de mercadorias e pessoas, automatizando a produção de objetos, entre outros casos. Todo este novo exército de máquinas e aparelhos tem significado, entre outras coisas, um crescimento no consumo de energia e, na maioria dos casos, energias não renováveis como carvão, petróleo, gás e, em menor proporção, a energia nuclear. As energias renováveis como a hidráulica e as provenientes da biomassa são menos de 6% do consumo primário de energia. Esse consumo crescente de energia não renovável tem dois grandes inconvenientes, primeiro, as fontes são limitadas e mais cedo ou mais tarde vão se esgotar, e, segundo, na maioria dos casos, principalmente em relação ao carvão e ao petróleo, os processos de combustão geram grande quantidade de resíduos poluentes que estão afetando a biosfera de maneira alarmante.

O maior problema na queima de combustíveis fósseis é o acúmulo de compostos de carbono na atmosfera, estes, por sua vez, produzem o chamado efeito estufa e causam o aumento na temperatura global da biosfera. Esse aquecimento seria a causa das alterações climáticas que já estamos presenciando em muitos lugares do planeta com conseqüências catastróficas.

No entanto, os cientistas calculam que os piores efeitos ainda não foram sentidos em seu nível máximo, como a desertificação e o derretimento das calotas polares, o que aumenta o nível dos oceanos, inundando as cidades costeiras.

Este panorama levou os países participantes da Terceira Conferência das Partes da Convenção sobre Mudanças Climáticas, no Japão, a assinar em 1997 o Protocolo de Kyoto, no qual se comprometem a diminuir a emissão de gases poluentes que estão provocando o efeito estufa.

A energia nuclear

Como fonte alternativa de energia, têm sido construídos em diversos países reatores nucleares que funcionam com fissão nuclear. Mesmo que se alimentem de fontes de energia não renováveis, seu sistema de transformação energética não é químico, mas sim entra num terreno que as ciências tradicionais conhecem como alquimia, portanto é muito eficiente e de acordo com a famosa equação de Einstein (E=mc2), pela qual se obtém, com uma pequena quantidade de matéria, uma grande quantidade de energia. O grande problema da energia de fissão nuclear é a possibilidade ainda que remota, porém já ocorrida, de situações como a do tristemente famoso reator de Chernobyl que disseminou radioatividade. Isso faz com que grande parte da sociedade seja contrária a essa alternativa energética.

No entanto, há outra possibilidade de uso da energia nuclear que consiste em, ao invés de partir ou fissionar átomos, obter energia por meio da fusão, o que tem grandes vantagens em relação à fissão, pois essa não produz radioatividade e, além disso, o combustível básico para a fusão é o hidrogênio, que pode ser obtido sem problemas através da água, contando-se assim com uma fonte quase inesgotável desse elemento químico. O grande inconveniente é que o processo de fusão é ainda muito complexo, o que torna um reator de fusão algo muito caro.

A fusão nuclear

Com o objetivo de explicar brevemente no que consiste a fusão nuclear, temos que entender da forma mais simples possível a constituição do átomo. O próton é uma partícula de carga positiva de igual magnitude que a carga negativa do elétron, com uma massa de 1,6726 X 10-27 kg, que é mais ou menos um 0,125% maior que a do próton. O próton e o nêutron são chamados nucléolos porque formam núcleos atômicos.

A força que mantém unidos os nucléolos é a força nuclear, que é de grande intensidade, mas de curto alcance, portanto, para que dois nucléolos sintam a atração provocada pela força nuclear, devem estar bem próximos. Quando se afastam atua a força eletromagnética na qual os prótons se repelem mutuamente por terem ambos carga positiva.

Quando um nucléolo está rodeado por outros nucléolos este sente uma força equivalente a soma dessas forças exercidas por cada nucléolo separado. Se tentássemos arrancar este componente do núcleo precisaríamos dar-lhe energia suficiente para vencer essa força. A energia mínima necessária para consegui-lo se chama energia de enlace.

À medida que aumenta o tamanho do átomo, aumenta o número de nucléolos e, por conseguinte, também aumenta a energia de enlace, mas como a energia é de curto alcance apenas os nucléolos mais próximos contribuem nesse incremento de forma significativa. Então, quando se aumenta o tamanho nos átomos leves, o incremento da energia de enlace é significativo, mas, quando esses vão se tornando mais pesados, este aumento é menor e logo começa a diminuir, por isso a energia de enlace é praticamente a mesma em todos os átomos pesados.

A fusão nuclear é uma reação na qual se unem dois núcleos leves para formar um outro mais pesado.

Esse processo libera energia porque o peso do núcleo pesado é menor que a soma dos pesos dos núcleos mais leves. Essa diferença de massa se transforma em energia, apesar de a diferença de massa ser muito pequena, e se relaciona mediante a fórmula E = mc2, apesar de o ganho por átomo ser muito pequeno é preciso considerar que é uma energia muito concentrada, pois numa grama de matéria há milhões de átomos, portanto com pouca quantidade de combustível se consegue muita energia.

Nem todas as reações de fusão produzem a mesma energia, isso depende dos nucléolos que se unem e do produto da reação. A reação mais fácil de conseguir é aquela que se obtém de dois isótopos de hidrogênio, o deutério (um próton mais um nêutron) para formar o hélio (dois nêutrons e dois prótons) e um nêutron, liberando energia de 17,6 megavolts.

Essa é uma fonte de energia praticamente inesgotável, já que o deutério se encontra na água do mar e o trítio é fácil de produzir a partir do nêutron que escapa da reação.

Dificuldades da fusão nuclear

A dificuldade está na forma de obter a fusão. A primeira dificuldade é que todos os núcleos atômicos estão carregados positivamente. E para poder uni-los é preciso vencer a repulsão que esses experimentam quando está atuando a força eletromagnética. Isso implica a aplicação de uma grande quantidade de energia.

Se quisermos criar uma imagem mais clara para compreender esta situação, diremos que a força de repulsão forma uma barreira que o núcleo deve atravessar para se unir a outro núcleo. É como se um objeto tivesse que subir um aclive; se sua velocidade inicial é inferior a este aclive, não conseguirá chegar no topo, pois sua velocidade irá diminuindo na medida em que sobe, logo ele vai se deter e mais tarde começará a descer sem chegar lá.

Este seria o comportamento habitual de um objeto sujeito às leis da física clássica, porém na escala subatômica atuam outras leis, nesta escala os movimentos são regidos pela mecânica quântica, e não pela clássica, então é possível que um núcleo atravesse a barreira mesmo que não tenha energia suficiente para fazê-lo, isso se chama o efeito túnel. De acordo com a mecânica quântica, a matéria pode se comportar como partícula ou como uma onda, o que implica a incerteza ou a incapacidade de estabelecer com exatidão a posição e o momento de uma partícula ao mesmo tempo, por isso é possível que uma partícula atravesse a barreira potencial sem ter, de acordo com a mecânica clássica, energia suficiente para fazê-lo, quer dizer, a possibilidade de que a partícula se encontre do outro lado da barreira não é nula; isso é o chamado efeito túnel.

Como conseqüência do efeito túnel, quando uma quantidade de partículas é lançada em direção a uma barreira potencial, com menor energia que o topo desta barreira, existe certa probabilidade de que uma fração dessas partículas passe através dela. Levando em conta esse efeito, não é necessário que, para a obtenção da fusão destes núcleos, eles precisem ultrapassar a altura desta barreira, permitindo que as possibilidades de obtenção da fusão aumentem, já que as energias requeridas podem ser comparativamente baixas.

A maneira mais fácil de obter a fusão dos dois núcleos é formando um feixe de muitos deles através de um acelerador de partículas, com energia suficientemente alta para ultrapassar a barreira de Coulomb, fazendo esse fluxo chocar-se contra um alvo formado igualmente de núcleos do mesmo tipo, assim alguns dos núcleos conseguirão se fusionarem. Com esse mecanismo se obterá sem dúvida uma liberação de energia nuclear, mas será muito menor do que a energia utilizada para produzir o feixe. Esse tipo de fusão tem valor unicamente experimental, mas nunca poderá ser usado para produzir energia pura.

Este é o problema básico desta energia nuclear limpa: o custo de produzi-la. Mas, por outro lado, de acordo com a teoria atual, a fusão nucelar é a fonte utilizada pelo Sol e pelas estrelas para produzirem energia e, portanto, deve ser a forma mais natural de se produzir energia.

Fusão quente e fusão fria

O mecanismo para produzir fusão começa confinando um gás composto dos elementos reagentes, trítio e deutério ou apenas deutério. Tradicionalmente tem-se trabalhado com dois métodos, a fusão quente e a fusão fria.

Os primeiros passos foram dados em relação à fusão quente. Como aconteceu em outras oportunidades, a engenhosidade científica foi canalizada para produzir uma arma mais mortífera do que as outras, surgindo assim a bomba H ou a bomba de hidrogênio que utiliza como combustível o deutério comprimido que, como detonador da fusão, obtém uma grande quantidade de energia calórica que é produzida por uma bomba atômica, ou seja, a fissão nuclear. A bomba H provou que é possível produzir energia por fusão, mas essa forma não pode ser utilizada já que é energia explosiva e sem controle, portanto o desafio é como conseguir uma fusão termonuclear controlada.

Na fusão fria, em lugar de fazer os núcleos se chocarem isolados para vencerem a barreira de Coulomb, tenta-se aproximá-los formando uma molécula especial na qual a separação entre os núcleos seja muito pequena. Quando estão muito próximos por um longo período é bastante provável que eles possam ultrapassar a barreira de Coulomb devido ao efeito túnel. Assim, em lugar de aumentar a energia dos núcleos para valores muito altos, como a fusão termonuclear, tenta-se mantê-los bem próximos até que ocorra a penetração da barreira. O ponto-chave nesse método é como se forma uma molécula que tenha os núcleos bem próximos.

Para conseguir isso, utiliza-se um tipo de partículas elementais chamadas mésons mu negativos ou simplesmente muons. Essas partículas tomam o lugar do elétron numa molécula normal, mas, como sua massa é 200 vezes maior que a do elétron, sua órbita é mais fechada, o que, por sua vez, faz com que os núcleos fiquem 200 vezes mais próximos. A energia liberada na reação é levada na sua maior parte pelo muon, que fica livre, e poderia, em princípio, formar outra molécula para catalisar mais reações. O principal inconveniente desse processo é que o tempo de vida de um muon é muito curto (2 x 10-6 segundos) e decai antes de poder catalisar mais reações. Isso diminui a eficiência, o que faz com que se gaste mais energia do que aquela que se cria.

De uma forma muito resumida vimos que a fusão poderia ser uma solução energética muito interessante no que se refere à disponibilidade de combustível e, além disso, é uma forma de obtenção de energia limpa, mas, apesar disso, ainda não se encontrou um método adequado para fazê-la de forma eficiente e controlada.

A sonofusão

Já faz alguns anos que se vem experimentando uma nova técnica que consiste em utilizar o ultra-som para produzir a fissão.

O processo inicia num recipiente de cristal transparente que contém acetona deuterada que é a matéria-prima. Expõe-se o recipiente com o líquido a pulsos de nêutrons a cada cinco milissegundos, provocando a criação de diminutas cavidades. Ao mesmo tempo o líquido é bombardeado com um ultra-som de freqüência específica, que faz com que as cavidades se tornem bolhas de uns 60 nanômetros de diâmetro.

As bolhas se expandem até se tornarem visíveis. Em alguns nanossegundos estas bolhas se contraem e liberam um lampejo de luz conhecido como sonoluminescência. A sonoluminescência é o fenômeno por meio do qual pequenas bolhas de ar, ou outro gás num certo líquido, emitem luz quando estão expostas a um som intenso.

Como as bolhas crescem antes de implodir, sua contração produz temperaturas e pressões extremas, comparáveis com as do interior das estrelas (uns dez milhões de graus Celsius e até um bilhão de atmosferas na experiência). Em determinado momento, os átomos de deutério se fusionam liberando nêutrons e energia.

A sonofusão ainda não chegou na sua maioridade em relação a sua tecnologia, mas já se formou o consórcio Acoustic Fusion Technology Energy Consortium, o AFTEC, integrado pela Universidade de Boston, Impulse Devices, a Universidade de Purdue, a Universidade de Mississipi em Oxford e a Universidade de Washington em Seattle. Seu objetivo é promover o desenvolvimento da sonofusão e estudar suas implicações científicas e tecnológicas.

Usualmente, na nossa cultura, pensamos que conhecimento é aprender coisas novas, mas na prática podemos comprovar que o que provoca os grandes avanços é enfocar as coisas por perspectivas diferentes. Aí temos o grande potencial da inteligência humana, a criatividade, que é um dos produtos naturais do exercício filosófico.

Catalisadores: os aceleradores da reação

a grande viagem química

O mundo à nossa volta muda constantemente: congela, degela, queima, dissolve, cresce, floresce e frutifica… Detenhamo-nos a observar de perto algumas destas habituais e enigmáticas metamorfoses.

A neve se derrete, condensa-se o vapor, congela-se a água… As propriedades químicas dessas substâncias não variam, o que muda é só a forma. Assim, o torrão de açúcar pode ser pulverizado até reduzir-se a pó, mas continuará sendo açúcar porque mantém as mesmas propriedades.

O ferro se oxida, a lenha se queima, o gás se consome, o leite se converte em requeijão, no filme fotográfico aparece a imagem… Estas são reações químicas que dão lugar a novas substâncias: o óxido de ferro, a cinza, o gás carbônico, o requeijão. Muda-se a própria base da substância, sua fórmula e sua estrutura. Agora temos algo completamente diferente, com propriedades químicas diferentes.

Mas, vejamos: pode-se converter a fumaça em lenha, o requeijão em leite, a ferrugem em ferro? A experiência nos diz que não é possível. São reações irreversíveis.

Então, o que é a reação e por que algumas acontecem e outras não podem acontecer?

A essência da reação química consiste na ruptura de ligações e na formação de outras. A ligação se realiza por meio dos elétrons de valência e se forma somente se os elementos que têm que reagir se aproximam suficientemente. Como resultado, a aparição da nova substância ocorre somente pela colisão das moléculas ou átomos dos agentes reativos iniciais. Todos eles são diferentes do ponto de vista energético, ainda que tenham a mesma estrutura química, porque têm distinta velocidade de movimento, distinto estado interior, distinto ângulo de choque, etc., pelo que nem todas as colisões levam à formação de uma nova substância.

Inicialmente, do ponto de vista das possíveis relações recíprocas,todos os elementos têm “simpatias” e “antipatias”. A reação será possível somente entre os átomos que “simpatizam” um com o outro em determinadas circunstâncias e com um mesmo “objetivo” que é a criação da substância nova.

Do ponto de vista da termodinâmica química, a possibilidade de que uma reação aconteça de forma espontânea está determinada pelas regularidades da conversão da energia e, particularmente, da correlação entre a entalpia (do grego “aquecer”) e a entropia (do grego “giro”). No entanto, a possibilidade principal da reação ainda não significa que esta vá acontecer em um nível suficientemente alto. Para que as moléculas e os átomos entrem em reação, em geral precisam da ativação dos reativos iniciais. O objetivo final desses é a reação química, porém para alcançá-la precisam superar o manto energético. O catalisador é a substância capaz de acelerar a reação química mantendo invariável seu resultado. A superação do manto energético, a saída para o caminho reto da reação química acontece graças à formação de outra conexão intermediária. Quer dizer, os resultados da reação são iguais, só os caminhos são diferentes e a barreira energética é mais baixa. Como resultado, a velocidade da reação química sobe enormemente.

Se aproximarmos um fósforo aceso a um torrão de açúcar, vemos como o açúcar se funde, se carboniza, mas não queima. Mas, ao contrário, se cobrirmos o açúcar de cinzas e o acendermos, vemos que assim queima. Os catalisadores são neste caso os sais dos metais alcalinos que se encontram na cinza e que aceleram o processo de oxidação.

Pode-se dizer que para que aconteça a reação são necessárias umas substâncias iniciais, um objetivo (o resultado da reação), a possibilidade inicial de que se produza a reação por meio de umas circunstâncias determinadas e a energia que possibilitará realizar a grande viagem química.

Se misturarmos iodo, freqüentemente cristalino, e pó de zinco em uma placa metálica, observamos que não se produz reação nenhuma. Porém, se acrescentarmos a essa mistura umas gotas de água, vemos como em cima da placa levanta uma nuvem violeta. A presença do catalisador (a água) fez com que o zinco reagisse intensamente com o iodo.

A água é o catalisador mais freqüente da Terra. Precisamente, graças a sua estrutura dupla, as moléculas das substâncias dissolvidas se ativam mais rápido.

A maioria das transformações químicas que acontecem na Terra, seja de forma visível ou não, se realizam por meio de um catalisador. É assim, por exemplo, o processo da transformação e a conversão da energia no reino das plantas e a liberação da dita energia solar para que continuem os processos de fermentação nos animais e no homem. O fermento, uma proteína de estrutura composta, é um catalisador dos sistemas biológicos com uma peculiaridade bem marcante, já que acelera só um processo, mas em um nível muito mais eficaz se comparado aos catalisadores inorgânicos, pois permite realizar mesmo as reações mais desvantajosas do ponto de vista termodinâmico. A aceleração da reação nos organismos por meio do princípio da catálise em todos os reinos da natureza é uma das leis universais de interação e de transformação das substâncias. Sem catálise não há vida.

Nos reinos da Natureza sempre governam as mesmas leis. Apesar de o mundo se apresentar dividido em múltiplas partes, ele, no entanto, é um. A variedade exterior do mundo é a manifestação de sua união interior.