Físicos encontram possível atalho para a energia de fusão nuclear e podem reduzir o gasto energético

Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, nos Estados Unidos, identificaram uma possível maneira de tornar a fusão nuclear mais eficiente. Em um estudo publicado na revista científica Physical Review Letters, a equipe mostrou, por meio de cálculos, que aquecer o plasma antes de aumentar sua densidade pode facilitar o caminho até a ignição da reação.

Pesquisadores investigam uma nova estratégia para facilitar a ignição da fusão nuclear. Foto: Getty Images.

A descoberta pode ajudar cientistas a desenvolver reatores capazes de produzir energia por fusão com menos exigências energéticas durante essa etapa. No entanto, a proposta ainda não foi comprovada experimentalmente. Por enquanto, os resultados indicam um caminho promissor para pesquisas futuras, e não uma tecnologia pronta para gerar eletricidade comercial.

Como funciona a fusão nuclear?

A fusão nuclear acontece quando núcleos de átomos leves se unem e liberam energia. É esse processo que alimenta o Sol e outras estrelas. Na Terra, os cientistas tentam reproduzir a reação para desenvolver uma fonte de energia com potencial de emitir baixas quantidades de gases de efeito estufa durante a operação.

Para isso, os reatores precisam aquecer um gás até transformá-lo em plasma, um estado da matéria formado por partículas eletricamente carregadas. Além da temperatura extremamente elevada, o combustível precisa atingir condições específicas de densidade e confinamento para que as reações ocorram de maneira eficiente.

O grande desafio é alcançar a chamada ignição. Nesse estágio, o calor liberado pelas próprias reações de fusão consegue sustentar o plasma sem depender continuamente da mesma quantidade de aquecimento externo.

O novo estudo propõe mudar a ordem do processo

Durante décadas, pesquisadores utilizaram o critério de Lawson para avaliar as condições necessárias à fusão. Essa referência relaciona fatores como temperatura, densidade e tempo de confinamento da energia.

Entretanto, o critério não determina sozinho qual sequência de operações permite alcançar a ignição com o menor gasto energético. Para investigar essa questão, os físicos de Princeton ampliaram os cálculos tradicionais e incluíram outros fenômenos que afetam o comportamento do plasma.

A equipe considerou quatro fatores importantes: o acúmulo de hélio produzido pelas reações, a presença de impurezas liberadas pelas paredes do reator, a energia perdida por radiação síncrotron e o calor que escapa do plasma.

Com esses elementos reunidos, os pesquisadores construíram um modelo mais abrangente das condições necessárias para alcançar a ignição. Assim, identificaram uma rota que pode ser mais eficiente do que estratégias que aumentam a densidade do combustível antes de fornecer grande parte do aquecimento.

O que é a chamada sela de Cordey?

Nos cálculos, os pesquisadores identificaram uma região matemática conhecida como sela de Cordey. Ela representa uma passagem potencialmente mais acessível no caminho até a ignição, considerando as condições físicas que influenciam a reação.

Para explicar a ideia, o físico Luis Delgado-Aparicio comparou o desafio a atravessar uma cadeia de montanhas. Em vez de tentar superar o ponto mais alto, os cientistas procuram uma passagem que permita chegar ao mesmo destino com menos esforço.

Nesse cenário, a equipe identificou uma sequência promissora: primeiro aquecer o plasma e, depois, aumentar a densidade do combustível. Dessa maneira, o reator poderia alcançar as condições necessárias para a fusão por uma rota que exige menos energia em determinados modelos.

Isso não significa que a densidade perdeu importância. Pelo contrário, o combustível precisa reunir núcleos suficientes para favorecer as reações. A proposta consiste em alterar a ordem das etapas para tentar tornar o processo mais eficiente.

Pequenas quantidades de tungstênio também podem dificultar a fusão

O estudo trouxe outro alerta para o desenvolvimento de futuros reatores. Os cálculos indicaram que uma concentração de tungstênio equivalente a apenas uma parte em dez mil partículas do plasma pode praticamente dobrar a pressão necessária para alcançar a ignição.

O tungstênio é um metal resistente a temperaturas extremas e, por isso, aparece nos projetos de componentes internos de instalações de fusão. Contudo, pequenas quantidades que se desprendam das paredes podem contaminar o plasma e aumentar as perdas de energia.

Consequentemente, o combustível pode ter mais dificuldade para manter as condições necessárias à reação. Em determinadas situações previstas pelos modelos, a pressão exigida também pode ultrapassar limites relacionados à estabilidade do plasma.

Por esse motivo, controlar as impurezas será uma tarefa importante para os futuros reatores. Entre as alternativas investigadas estão revestimentos de lítio líquido, que podem ajudar a reduzir a entrada de materiais indesejados no plasma.

Quando a fusão nuclear poderá produzir eletricidade?

Apesar dos resultados promissores, ainda existe um longo caminho entre identificar uma estratégia teórica e construir uma usina comercial. A proposta de aquecer o plasma antes de aumentar sua densidade ainda precisa passar por novas simulações e testes experimentais.

Além disso, os cientistas precisam controlar as perdas de energia, manter o plasma estável e desenvolver materiais capazes de suportar as condições extremas do reator. Também será necessário demonstrar que o sistema consegue produzir eletricidade de maneira confiável e economicamente viável.

Outras pesquisas já mostraram avanços importantes. Em 2022, por exemplo, o National Ignition Facility, nos Estados Unidos, alcançou um experimento de fusão que liberou mais energia do que a energia do laser entregue diretamente ao alvo. Ainda assim, o consumo total da instalação foi superior à energia produzida pela reação.

A distinção é fundamental: obter ganho energético no combustível não significa que todo o equipamento já produz mais eletricidade do que consome. Por isso, a fusão nuclear continua sendo uma área de pesquisa, apesar dos resultados alcançados.

Se novos estudos confirmarem os cálculos de Princeton, a estratégia poderá ajudar os cientistas a projetar reatores mais eficientes e evitar dificuldades antes da construção de instalações caras. Por enquanto, o avanço oferece uma nova direção para a pesquisa, mas ainda não representa uma solução definitiva para a geração comercial de energia por fusão.

Fonte: HypeScience