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Tecnologias alternativas de fusão em alta

Start-ups de pesquisas com energia de fusão são alimentadas por capital de risco e muita esperança

Jasiek Krzysztofiak/Nature
Quando um plasma superquente fica preso em um campo magnético, ele luta para escapar. Reatores são projetados para mantê-lo confinado por tempo suficiente para que núcleos se fundam e produzam energia.

 

 

 
Por M. Mitchell Waldrop e Revista Nature

Para chegar a uma das mais reservadas empresas de fusão nuclear do mundo, visitantes precisam passar por um parque suburbano de escritórios no sopé das Montanhas Santa Ana, a leste de Irvine, na Califórnia, até chegarem no vasto, mas sem identificação, quartel general da Tri Alpha Energy.

É aí que qualquer estranho fica retido se não assinar um acordo de confidencialidade; a Tri Alpha protege seus segredos de mercado com tanto ardor que sequer tem um website. Mas os fragmentos de informação que conseguiram escapar tornam claro que o prédio abriga um dos maiores experimentos de fusão atualmente em funcionamento nos Estados Unidos.

A metodologia também é diferenciada. Em vez de usar o reator ‘tokamak’ em forma de rosquinha que dominou a pesquisa de fusão por mais de 40 anos, a Tri Alpha está testando um reator linear que, de acordo com a empresa, será menor, mais simples e mais acessível – e que levará à energia de fusão comercial em pouco mais de uma década, muito antes dos 30 a 50 anos frequentemente citados para tokamaks.

Isso parece particularmente interessante quando o principal projeto de fusão do mundo, um tokamak gigante chamado ITER, está afundado em atrasos e quebras orçamentárias. Espera-se que a instalação, que está em construção em Cadarache, na França, seja o primeiro reator de fusão capaz de gerar excedente de energia a partir de seu combustível de plasma. Mas ele parece que as projeções de custo chegam a US$50 bilhões – cerca de 10 vezes a estimativa original – e não iniciará seus primeiros experimentos com combustível antes de 2027, um atraso de 11 anos.

Com o ITER consumindo a maior parte do orçamento de energia de fusão dos Estados Unidos, fãs de abordagens alternativas têm pouco apoio governamental. Mas a impaciência cada vez maior com a tecnologia tokamak motivou a equipe da Tri Alpha e muitos outros físicos nos Estados Unidos e no Canadá a explorar diferentes opções. Na última década e meia, esses rebeldes lançaram pelo menos meia dúzia de empresas em busca de projetos alternativos para reatores de fusão. A própria Tri Alpha já levantou US$150 milhões de pessoas como o cofundador da Microsoft, Paul Allen, e da empresa de capital de risco do governo russo, a Rusnano.

Mas o sucesso está atraindo um escrutínio cada vez maior sobre suas ousadas promessas. A Tri Alpha “terá grandes problemas a superar quando começar a escalonar o tamanho dos reatores”, prevê Jeffrey Freidberg, físico nuclear do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) em Cambridge. A empresa deve, por exemplo, provar que pode atingir as temperaturas de bilhões de kelvin necessárias para queimar o combustível exótico que pretende usar, e deve demonstrar uma maneira prática de converter a produção energética em eletricidade.

Questões semelhantes poderiam ser levantadas para qualquer outra start-up, comenta Stephen Dean, que dirige o Fusion Power Associates, um grupo de advocacia em Gaithersbug, Maryland. “Eu não acho que possamos dizer honestamente que qualquer uma dessas coisas esteja pronta para demonstrar a fusão rapidamente”, aponta ele.

Será que empresas de fusão alternativa conseguirão sustentar seu impulso inicial e justificar o otimismo de seus fundadores? Ou será que vão fracassar como tantos outros sonhos de fusão do passado?

Siga o Sol

Em princípio, construir um reator de fusão é só uma questão de imitar o Sol. Pegue os isótopos adequados de hidrogênio ou outros elementos leves, adicione calor para remover os elétrons dos núcleos e forme um plasma ionizado, então comprima esse plasma e tente mantê-lo comprimido por tempo suficiente para permitir que os núcleos se fundam e convertam uma parte de sua massa em energia.

Na prática, porém, tentar imitar uma estrela conduz a problemas enormes com energia: um deles é que o plasma quente, preso em um campo magnético, tende a se contorcer como uma serpente furiosa tentando escapar.

Há muito tempo, pesquisadores de fusão escolheram os tokamaks como a melhor maneira de conter essa fera de plasma. Desenvolvido por físicos soviéticos nos anos 50 e anunciados para o Ocidente uma década depois, os reatores alcançaram densidades de plasma, temperaturas e tempos de confinamento muito maiores que qualquer outra máquina antes deles. E conforme físicos refinavam o projeto, eles também otimizaram a maneira com que tokamaks controlavam o plasma de alta-energia.

Mesmo assim, desde o começo, muitos físicos se perguntavam se tokamaks poderiam ser escalonados para atingir uma produção comercial de energia. Para começar, sua complexidade é impressionante. A câmara toroidal precisa ser forrada com vários conjuntos de bobinas eletromagnéticas para dar forma ao campo magnético que confina o plasma. E mais bobinas passam pelo reator para conduzir uma poderosa corrente elétrica pelo plasma.

E, é claro, existe o combustível: uma mistura de deutério (D) e trítio (T), isótopos de hidrogênio. A combinação D-T é considerada a única escolha plausível para um reator porque queima a uma temperatura mais baixa que qualquer outra – apenas 100 milhões de kelvin – e libera muito mais energia.

Mas 80% dessa energia emerge da reação na força de nêutrons acelerados, que destruiriam as paredes de um reator de energia deixando-as altamente radioativas. Para gerar eletricidade, a energia dos nêutrons teria que ser usada para aquecer água em uma turbina de vapor convencional – um processo com uma eficiência de apenas 30 ou 40%.

O custo, a complexidade e o progresso lento também acompanharam a fusão de confinamento inercial, a alternativa mais proeminente para o confinamento magnético dos tokamaks. Essa abordagem, em que pastilhas de combustível congelado são implodidas por feixes laser de alta energia, também receberam muito financiamento governamental. Mas apesar de décadas de trabalhos com o confinamento inercial, iniciativas como a National Ignition Facility no Laboratório Lawrence Livermore em Livermore, na Califórnia, ainda estão lutando para cumprir suas promessas de energia de fusão.

Partida Radical

Essas preocupações acenderam o entusiasmo pelo stellarator: um dispositivo toroidal que simplifica certos aspectos do tokamak, mas que exige imãs ainda mais complexos. Mas a maioria dos físicos de plasma simplesmente deixou os problemas de engenharia para depois, supondo que surgirão soluções após a física de plasma ser compreendida. Os rebeldes da fusão estão entre a minoria que defende uma solução mais radical: primeiro acertar a engenharia, projetando um reator simples e barato que empresas de energia possam de fato querer comprar, e só então controlar o plasma.

Um desses rebeldes é Norman Rostoker, físico da University of California, Irvine, que confundou a Tri Alpha em 1998, aos 72 anos de idade. Ele e seus colegas propõem o abandono do combustível D-T em favor de fundir prótons com boro-11, um isótopo estável que compõe cerca de 80% do boro natural.

Queimar esse combustível p-11B exigiria temperaturas de aproximadamente um bilhão de kelvins, quase 100 vezes o calor do núcleo do Sol. E a energia criada em cada evento de fusão seria apenas metade da energia liberada pela mistura D-T. Mas os subprodutos da reação ficariam praticamente livres de nêutrons problemáticos: a fusão geraria apenas três núcleos energéticos de hélio, conhecidos como partículas alfa (α). Essas partículas são carregadas para que possam ser guiadas por campos magnéticos em um dispositivo ‘ciclotron reverso’, que converteria sua energia em uma corrente elétrica comum com uma eficiência de quase 90%.

Queimar um plasma p-11B em um tokamak a um bilhão de graus kelvin estava fora de cogitação, e não apenas por causa dos imensos campos magnéticos que seriam necessários para confiná-lo. Então Rostoker e seus colegas projetaram um reator linear parecido com dois canhões apontados um para o outro. Cada canhão dispararia aneis de plasma chamados de plasmoides, conhecidos por serem incrivelmente estáveis: o fluxo de íons no plasma geraria um campo magnético, que por sua vez manteria o plasma confinado: “Essa é a configuração mais ideal imaginável”, declara Alan Hoffman, físico de plasma da University of Washington, em Seattle.

Para ativar o reator, cada canhão dispararia um plasmoide contra uma câmara central, onde os dois se fundiriam em um plasmoide maior, flutuando livremente, que sobreviveria enquanto fosse alimentado com mais combustível. As partículas-α emergindo da reação seriam guiadas de volta para os canhões por outro campo magnético, e capturadas no conversor de energia.

Quando a equipe publicou esse conceito, em 1997, já estava se tornando claro que o departamento de energia dos Estados Unidos não iria financiar o desenvolvimento da máquina preferindo, em vez de disso, se concentrar em tokamaks, que pareciam ser uma aposta mais segura. “Os grandes experimentos foram financiados durante décadas, então existem poucas chances de não atingirem seus objetivos”, observa John Slough, físico de plasma da University of Washington. “Se eles começarem a financiar essas alternativas, todas as incertezas ressurgirão”.

Então Rostoker e seus colegas decidiram aproveitar a robusta cultura americana de start-ups de alta tecnologia e financiamento com capital de risco. Eles formaram uma empresa, batizaram-na de Tri Alpha em homenagem à reação p-11B, e atraíram investimentos suficientes para empregar mais de 100 pessoas.

Dean suspeita que a mentalidade das start-ups pode explicar porque a Tri Alpha é tão reservada. “É parte da mística das empresas financiadas com capital de risco: desenvolva suas ideias antes que outras pessoas saibam delas”, comenta ele. Mas nos últimos cinco anos ou mais, a empresa começou a deixar seus empregados publicarem resultados e participar de conferências.

Com sua atual máquina de testes, um dispositivo de 10 metros chamado de C-2, a Tri Alpha mostrou que os plasmoides em colisão se fundem como esperado, e que a bola de fogo pode se sustentar por até 4 milissegundos – um tempo impressionantemente longo para os padrões da física de plasma – enquanto feixes de combustível forem injetados.

No ano passado, o pesquisador Houyang Guo, da Tri Alpha, anunciou em uma conferência de plasma em Fort Worth, no Texas, que a duração da queima havia aumentado para 5 milissegundos. Atualmente a empresa está procurando capital para construir uma máquina maior.

“Como programa científico, eles vêm tendo muito sucesso”, observa Hoffman, que revisou o trabalho para Allen quando o bilionário estava decidindo se devia investir. “Mas o combustível não é p-11B”. Até agora, de acordo com ele, a Tri Alpha tem alimentado seu C-2 com deutério, e está muito longe de atingir as condições extremas de plasma necessárias para queimar o combustível desejado.

A Tri Alpha também não demonstrou a conversão direta de partículas-α em eletricidade. “Eu não vi nenhum esquema que pudesse funcionar na prática”, declara Martin Greenwald, físico do MIT e ex-diretor do comitê consultivo para energia de fusão do departamento de energia. De fato, a Tri Alpha está planejando que seu reator de primeira geração use um sistema mais convencional de turbina a vapor.

Outros empresários da fusão terão que enfrentar desafios semelhantes, mas isso não os deteve. Slough é diretor científico da Helion Energy em Redmond, Washington, que está desenvolvendo um reator linear de feixes colisores que seria pequeno o bastante para ser transportado por um caminhão.

O reator Helion deve disparar um feixe constante de plasmoides de cada lado da câmara, onde o combustível é esmagado por campos magnéticos até que a fusão comece. Dentro de um segundo, os produtos da fusão são removidos enquanto o próximo par de plasmoides chega. “Gostamos de fazer uma analogia com o motor a diesel”, declara o diretor executivo da empresa, David Kirtley. “Você injeta o combustível, comprime-o com o pistão até que ele entre em ignição sem precisar de uma fagulha, e a explosão empurra o pistão de volta”.

Helion demonstrou o conceito em um reator D-D com plasmoides disparados uma vez a cada três minutos, e agora está buscando US$15 milhões em financiamento particular nos próximos cinco anos para desenvolver uma máquina em escala real que poderia usar combustível D-T para atingir o ponto de equilíbrio, quando gera tanta energia quanto usa para funcionar. A empresa espera que seu reator possa atingir as condições de temperatura necessárias para fundir deutério com hélio-3, outra combinação que produz partículas- α e prótons, sem subprodutos de nêutrons.

Kirtley está otimista em relação ao dinheiro. “O mercado tem uma necessidade imensa de energia limpa, acessível e segura”, aponta ele. “Então existe uma tendência na comunidade de investimento particular para apoiar maneiras alternativas de produzí-la”. De acordo com Kirtley, se a busca por financiamento for bem sucedida, “nosso plano é ativar a usina piloto dentro de seis anos”.

Girando

Outros conceitos alternativos usam o combustível D-T, mas usam confinamentos diferentes. Em Burnaby, no Canadá, pesquisadores da General Fusion projetaram um reator em que um plasmoide de D-T é injetado em um vórtice giratório de chumbo líquido, que então é esmagado por uma floresta de pistões. Se essa compressão acontecer dentro de alguns microssegundos, o plasma implode para criar condições de fusão. Uma vantagem desse projeto é que o chumbo líquido não sofre degradação quando é bombardeado por nêutrons, explica Michel Laberge, que fundou a General Fusion em 2002.

A General Fusion já demonstrou a ideia com um dispositivo de pequena escala, usando pistões movidos por explosivos, e conseguiu US$50 milhões em capital de risco e em financiamento do governo canadense. De acordo com Laberge, se a empresa conseguir mais US$25 milhões, ela construirá um sistema de implosão mais robusto que pode comprimir o plasma nos níveis necessários para a fusão – talvez dentro dos próximos dois anos.

Apesar desse otimismo, Dean estima que será necessário pelo menos mais uma década, talvez muito mais, antes de qualquer empresa de fusão alternativa produzir uma usina funcional. De acordo com ele, ainda existem muitas tecnologias inéditas que precisam ser demonstradas: “Eu acho que essas coisas estão muito bem motivadas, e que devem ser apoiadas – mas não acho que estejamos à beira de uma revolução”.  

Ainda não está claro se esse apoio virá do departamento de energia dos Estados Unidos no futuro próximo. O programa de fusão do departamento forneceu uma quantidade módica de capital para a Helion, e também para alguns trabalhos acadêmicos de pequena escala em reatores alternativos. E sua agência de financiamento, a Advanced Research Projects Agency-Energy, expressou interesse em alguns dos conceitos alternativos, ao ponto de promover um workshop sobre eles no ano passado. O comitê consultivo de energia de fusão está preparando um plano de pesquisa de dez anos, que deve começar no início do ano que vem, e que poderia atrair mais apoio para as start-ups. Mas o dinheiro está curto, e o ITER continua a ser um imenso fardo financeiro.

No momento, a maior parte do capital terá que sair do setor privado. E apesar de muitos obstáculos técnicos, investidores parecem dispostos a aproveitar a chance.

“As pessoas estão começando a pensar: ‘Ei, talvez haja outra maneira de fazer isso!’”, comenta Slough. “Talvez valha a penar pagar alguns milhões para descobrir”. 

sciambr29jul2014