Fusão a frio está de volta

Fusão a Frio



Postado por Sabine Hossenfelder às 8:00 Marcadores: Física , Tecnologia , Vídeo

A fusão a frio pode salvar o mundo. Seria uma fonte de energia basicamente ilimitada e limpa. Parece ótimo. Há apenas um problema: não está funcionando. De fato, a maioria dos físicos pensa que não pode funcionar nem mesmo em teoria. E, no entanto, a pesquisa está voltando. Então o que está acontecendo? O que sabemos sobre a fusão a frio? É o negócio real, ou é pseudociência? O que é a fusão a frio para começar? É sobre isso que falaremos hoje.

Se você juntar dois pequenos núcleos atômicos, eles formarão um mais pesado. Essa fusão nuclear libera uma enorme quantidade de energia. Há apenas um problema: todos os núcleos atômicos têm uma carga elétrica positiva, então eles se repelem. E eles fazem isso com muita força. Quanto mais próximos estiverem, mais forte será a repulsão. Chama-se barreira de Coulomb e impede a fusão até que os núcleos fiquem tão próximos que a força nuclear forte assuma o controle. Então os núcleos se fundem e explodem.

O sol faz fusão nuclear com sua enorme pressão gravitacional. Na Terra, podemos fazer isso aquecendo uma sopa de núcleos a temperaturas enormes, ou batendo os núcleos uns contra os outros com lasers. Isso é chamado de “fusão nuclear quente”. E isso de fato funciona. Há apenas um problema: pelo menos assim, a fusão a quente consome mais energia do que libera. Falamos sobre os problemas com a fusão nuclear quente neste vídeo anterior.

Mas a fusão nuclear é possível com energia muito menor, e então é chamada de fusão a frio. A razão pela qual isso funciona é que os núcleos atômicos normalmente não flutuam sozinhos, mas têm elétrons em camadas ao redor do núcleo. Esses elétrons protegem as cargas positivas dos núcleos uns dos outros e isso facilita a aproximação dos núcleos.

Há apenas um problema: se os átomos flutuam livremente, as camadas de elétrons são realmente grandes em comparação com o tamanho do núcleo. Se você aproximar esses núcleos, suas camadas de elétrons estarão muito mais distantes do que os núcleos. Portanto, as camadas de elétrons não ajudam na fusão se os núcleos apenas flutuarem.

Uma coisa que você pode fazer é retirar os elétrons e substituí-los por múons. Os múons são basicamente versões mais pesadas dos elétrons e, como são mais pesados, suas conchas estão mais próximas do núcleo. Isso protege melhor os campos elétricos dos núcleos e facilita a fusão nuclear. É chamado de “fusão catalisada por múons”.

A fusão catalisada por múons foi teoricamente prevista já na década de 1940 e feito com sucesso em experimentos na década de 1950 . É a fusão a frio que realmente funciona. Há apenas um problema: os múons são instáveis. Eles devem ser produzidos com aceleradores de partículas e consomem muita energia. Os múons então se perdem principalmente na primeira reação de fusão, então você não pode reutilizá-los. Há muito mais a dizer sobre a fusão catalisada por múons, mas deixaremos isso para outra hora.

Há outro tipo de “fusão a frio” que sabemos que funciona, que na verdade é um método de produção de nêutrons. Para isso, você envia um feixe de íons de deutério em um metal, por exemplo, titânio. O deutério é um isótopo pesado de hidrogênio. Seu núcleo é um próton com um nêutron. A princípio, o feixe apenas deposita muito deutério no metal. Mas quando o metal está cheio de deutério, alguns desses núcleos se fundem. Esses dispositivos podem ser bem pequenos. O pedaço de metal onde a fusão acontece pode ter apenas alguns milímetros de tamanho. Aqui está um exemplo de tal dispositivo da Sandia Labs que eles chamam de “neuristor”.

A principal razão pela qual os cientistas fazem isso é porque a fusão libera nêutrons, e eles querem os nêutrons. Não é só porque a vida no laboratório é solitária e os nêutrons são melhores do que nenhuma companhia. Os nêutrons também podem ser usados ​​para tratar materiais para torná-los mais duráveis, ou para acelerar a decomposição de resíduos radioativos.

Mas a produção dos nêutrons é um processo bastante surpreendente. Porque o feixe de íons de deutério que você envia para este metal normalmente tem uma energia de apenas 5-20 kilo elétron-volt. Mas os nêutrons que você tira, têm quase mil vezes mais energia, na faixa de alguns Mega elétron Volt. É muitas vezes chamado de “fusão de feixe-alvo” ou “fusão de estado sólido”. É um tipo de fusão a frio, e novamente sabemos que funciona.

Há apenas um problema: o rendimento desse método é muito, muito baixo. É apenas cerca de um em um milhão de núcleos de deutério que se fundem, e a energia total que você obtém é muito menor do que a que você coloca com o feixe. Portanto, é um bom método para produzir nêutrons, mas não salvará o mundo.

No entanto, quando os físicos estudaram esse processo de produção de nêutrons, eles fizeram uma descoberta surpreendente. Quando você diminui a energia das partículas que chegam, as taxas de fusão são mais altas do que o esperado teoricamente. Por que é que? A explicação atualmente aceita é que a rede do metal ajuda a proteger as cargas dos núcleos de deutério umas das outras. Então, diminui a barreira de Coulomb, e isso torna mais provável que os núcleos se fundam quando estão dentro do metal. Isso não é novidade, os físicos sabem disso desde a década de 1980.

Mas se colocar o deutério em metal reduz a barreira de Coulomb, talvez possamos encontrar algum material no qual ela seja ainda mais baixa? Talvez possamos baixá-lo tão longe que criemos energia com ele? Essa ideia já havia sido levantada na década de 1920 por pesquisadores nos Estados Unidos e na Alemanha. E é o que Pons e Fleischman alegaram ter alcançado em seu experimento que ganhou as manchetes em 1989.

Pons e Fleischman usaram um metal chamado paládio. O metal estava dentro de um tanque de água pesada, então essa é a água onde o hidrogênio normal é substituído por deutério. Ponds e Fleischman então aplicaram uma corrente que atravessava o paládio e a água pesada. Eles alegaram que isso criava excesso de calor, então mais do que você obteria apenas com a corrente. Eles também disseram que viram alguns produtos de decomposição de reações de fusão, notadamente nêutrons e trítio. Todo mundo estava muito animado.

Só havia um problema... Outros laboratórios não conseguiram reproduzir as alegações. Provavelmente não ajudou que Pons e Fleischmann fossem ambos químicos, mas a fusão nuclear tem sido tradicionalmente território de físicos. E os físicos pensam em grande parte que as reações químicas simplesmente não podem causar a fusão nuclear porque as energias típicas envolvidas nos processos químicos são muito baixas.

Alguns grupos disseram ter visto algo semelhante a Ponds e Fleischman, mas as descobertas foram inconsistentes e não ficou claro por que às vezes funcionava e às vezes não. No início dos anos noventa, a alegação de Pons e Fleischmann foi amplamente considerada desmascarada. Em pouco tempo, nenhum cientista queria tocar na fusão a frio porque temiam que isso prejudicasse sua reputação. O filósofo Huw Price chama isso de “armadilha da reputação”. Na verdade, enquanto eu estava trabalhando neste vídeo, fui avisado de que eu também estaria prejudicando minha reputação.

Claro que nem todos simplesmente pararam de trabalhar na fusão a frio. Afinal, isso pode salvar o mundo! Alguns continuaram, e alguns tentaram capitalizar a esperança.

Um desses casos é o de Andrea Rossi que já na década de 1970 disse saber construir um dispositivo de fusão a frio. Em 1998, o governo italiano fechou sua empresa sob a acusação de fraude fiscal e despejo de lixo tóxico no meio ambiente. Em meados da década de 1990, Rossi mudou-se para os EUA e, em 2011, afirmou ter um dispositivo de fusão a frio em funcionamento que produzia excesso de calor.

Ele tentou patentear, mas o escritório internacional de patentes rejeitou o pedido argumentando que o dispositivo vai “contra as leis da física geralmente aceitas e as teorias estabelecidas”. Um australiano rico ofereceu US$ 1 milhão a Rossi se ele pudesse provar que o dispositivo produz energia líquida. Rossi não aceitou a oferta e foi a última vez que ouvimos dele. Há mais de um problema com isso.

Em 2019, o Google fez um projeto de pesquisa sobre fusão a frio e descobriu que a taxa de fusão observada era 100 vezes maior do que o esperado teoricamente. Mas não foi suficiente para criar excesso de calor.

O fascínio da fusão a frio não desapareceu completamente. Por exemplo, existem duas empresas no Japão, Technova Inc. e Clean Planet Inc, que afirmam ter produzido excesso de calor. Clean Planet Inc tem um roteiro muito impressionante em seu site, segundo o qual eles vão completar um modelo de reator para aplicação comercial no próximo ano. Há apenas um problema: ninguém viu a máquina que salva o mundo e ninguém reproduziu os resultados.

As pessoas que ainda trabalham na fusão a frio a renomearam para “Reações Nucleares de Baixa Energia”, abreviação de LENR. Parte do motivo é que “frio” não é particularmente descritivo. Quero dizer, esses dispositivos podem ser frios em comparação com o interior do sol, mas podem aquecer até algumas centenas de graus Celsius, e talvez essa não seja a ideia de frio de todos. Mas, sem dúvida, o principal motivo para o rebranding é sair da armadilha da reputação. Portanto, não se engane, LENR é a fusão a frio renascida.

Admito que isso não soa particularmente convincente. Mas acho que vale a pena olhar um pouco mais de perto os detalhes. Em primeiro lugar, existem duas medidas separadas que as pessoas de fusão a frio geralmente observam. Essa é a produção de produtos de decaimento da fusão nuclear e a produção de excesso de calor.

Um experimento que tentou esclarecer o que pode estar acontecendo vem de um artigo de 2010 de um grupo nos Estados Unidos. Eles usaram uma configuração muito semelhante à de Fleischmann e Pons, mas, além disso, direcionaram um laser pulsado no paládio com frequências específicas. Eles alegaram ver excesso de geração de energia para frequências de pulso específicas, o que sugere que as excitações dos fônons têm algo a ver com isso. Só há um problema: um experimento de acompanhamento não conseguiu replicar o resultado .

Edmund Storms, que trabalha nisso há décadas, publicou um artigo em 2016 alegando ter medido o excesso de calor em um dispositivo muito semelhante à configuração original de Ponds e Fleischman. Nesta figura você vê como o deutério se acumula no paládio, que são os pontos vermelhos, e a quantidade de energia que Storms diz que mediu.

Ele afirma que a razão pela qual esses experimentos são difíceis de reproduzir é que as reações nucleares acontecem em taxas apreciáveis ​​apenas em algumas regiões do paládio que apresentam defeitos específicos que ele chama de nano-trincas. Estes podem ser causados ​​pelo tratamento do metal, então algumas amostras os têm e outras não, e é por isso que os experimentos às vezes parecem funcionar e às vezes não. Pelo menos de acordo com Storms. Há apenas um problema: ninguém foi capaz de replicar suas descobertas.

Há também um paper de 2020 da empresa japonesa Clean Planet Inc que já mencionei. Eles usam uma configuração um pouco diferente com nanopartículas de certos metais que são cercadas por um gás que contém deutério. A coisa toda é colocada sob pressão e aquecida. Eles afirmam que o aumento de temperatura resultante é maior do que o esperado e que o dispositivo gera energia líquida. Nesta figura você vê o aumento de temperatura medido em seu experimento com gás hélio e com um gás que contém deutério. O gás Hélio serve como controle. Como você vê, há mais aquecimento com o deutério. Há apenas um problema: ninguém foi capaz de replicar essa descoberta.

O problema com essas medições de calor é que elas são incrivelmente difíceis de verificar. Por esta razão, é muito melhor olhar para os produtos de decomposição. Esses são em si e por si misteriosos. Em uma reação de fusão nuclear típica, há uma quantidade muito específica de energia que é liberada e, portanto, a distribuição de energia dos produtos de decaimento é muito acentuada. Na fusão de deutério, os nêutrons em particular devem ter uma energia de 2,45 MeV. Nessas reações de fusão a frio, no entanto, eles veem uma distribuição bastante ampla de energias de nêutrons e em energias mais altas do que o esperado.

Aqui está um exemplo. As barras vermelhas mostram o número de íons de deutério em função da energia, as pretas são o fundo. Como você pode ver, o espectro não se parece com o pico esperado em cerca de 2,5 MeV. Algo está acontecendo e não sabemos o quê. Esqueça por um momento salvar o mundo, é bem mais simples, tem uma observação que a gente não entende.

Em um artigo recente, um grupo do MITapresentou duas hipóteses diferentes que poderiam explicar por que a fusão nuclear acontece mais facilmente em certos metais do que você ingenuamente supõe. Uma é que existem algumas ressonâncias nucleares desconhecidas que podem se tornar excitadas e facilitar a fusão. A outra é que a rede do metal facilita a transferência de energia do deutério para alguns dos núcleos de paládio. Então você tem núcleos de Paládio excitados e eles decaem. Como os núcleos de Palladium têm mais canais de decaimento do que os típicos para saídas de fusão, isso pode explicar por que a distribuição de energia parece tão estranha. Há apenas um problema: não sabemos se isso está realmente correto.

O que devemos fazer com isso? A principal razão pela qual a fusão a frio foi descartada como pseudociência é que a maioria dos físicos pensa que não pode ser que os processos químicos causem reações nucleares. Mas acho que eles superestimam o quanto sabemos sobre física e química nuclear.

A física nuclear é dominada pela força nuclear forte que mantém quarks e glúons juntos para que eles formem nêutrons e prótons. A força nuclear forte tem a propriedade peculiar de se tornar mais fraca em altas energias. Isso é chamado de liberdade assintótica. Arvin Ash recentemente fez um ótimo vídeo sobre a força nuclear forte, então confira mais detalhes.

O Grande Colisor de Hádrons bombeia muita energia em colisões de prótons. É por isso que entender a força nuclear forte nas colisões do LHC é bastante simples, com o que quero dizer com um doutorado em física de partículas. A parte difícil vem após as colisões, quando os quarks e glúons se recombinam em prótons, nêutrons e outros estados ligados, como pions e rhos e assim por diante. Chama-se hadronização, e os físicos não sabem como calcular isso. Eles apenas extraem as propriedades desses processos dos dados e os parametrizam.

Estou dizendo isso para ilustrar que só porque entendemos as propriedades dos constituintes dos núcleos atômicos não significa que entendemos os átomos. Não podemos nem calcular como quarks e glúons se mantêm juntos.

Outra grande lacuna em nossa compreensão são as propriedades dos materiais, porque muitas vezes não podemos calcular as bandas de elétrons. Isso é especialmente verdadeiro para materiais com irregularidades que, segundo Storms, são relevantes para a fusão a frio. De fato, se você se lembra, calcular as propriedades dos materiais é uma daquelas questões que os físicos querem colocar em um computador quântico exatamente porque não podemos fazer o cálculo atualmente. Então, é possível que haja algo acontecendo com os núcleos ou bandas de elétrons nesses metais que ainda não descobrimos? Acho que isso é totalmente possível.

Mas, deixe-me ser honesto, acho um pouco suspeito que a produção de energia em experimentos de fusão a frio sempre esteja muito próxima da energia que entra. caso. Se a fusão nuclear está acontecendo com eficiência, por que ela simplesmente não explode o laboratório e resolve o caso de uma vez por todas?

Então, bem, estou extremamente cético de que veremos um dispositivo de fusão a frio funcionando nos próximos dois anos. Mas parece-me que há evidências bastante convincentes de que algo estranho está acontecendo nesses dispositivos que merece um estudo mais aprofundado.

Não sou o único que pensa assim. Nos últimos dois anos, a pesquisa sobre fusão a frio recebeu um grande aumento de financiamento, e isso já está mostrando resultados. Por exemplo, em 1991, um pequeno grupo de pesquisadores propôs um método para produzir amostras de paládio que geram excesso de calor de forma mais confiável . E, espero que você esteja sentado, grupos de pesquisa da NASA e da Marinha dos EUA recentemente conseguiram reproduzir esses resultados.

Um projeto da Universidade de Michigan está tentando reproduzir as descobertas das empresas japonesas. O Departamento de Energia dos Estados Unidos acaba de lançar uma chamada para projetos de pesquisa sobre reações nucleares de baixa energia, e também o conselho de pesquisa europeu foi pego no ato de apoiar alguns projetos de fusão a frio.

Eu acho que isso é um bom desenvolvimento. Os experimentos de fusão a frio são pequenos e relativamente baratos e, devido ao enorme potencial, vale a pena o investimento. É um tema sobre o qual certamente voltaremos a falar, por isso, se quiser manter-se atualizado, não se esqueça de subscrever. Muito obrigado a Florian Metzler por ajudar com este vídeo.

https://backreaction-blogspot-com.translate.goog/2022/10/cold-fusion-is-back-theres-just-one.html?_x_tr_sch=http&_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=pt&_x_tr_hl=pt-BR&_x_tr_pto=wapp