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Ciência

A corrida maluca da fusão nuclear

Ela produz energia limpa, segura e praticamente infinita. Há décadas a ciência tenta dominá-la, sem sucesso. Enquanto isso, cada vez mais cientistas amadores constroem reatores de fundo de quintal – entre eles, uma criança de 12 anos.

Reportagem Vinicius Abbate e Bruno Garattoni | Ilustração Estevan Silveira | Design Carol Malavolta 

Jackson Oswalt estava muito feliz. Aquele dia, 19 de janeiro, era seu aniversário. E o menino estava ansioso para brincar com o presente: um reator de fusão nuclear que ele mesmo construiu, usando US$ 10 mil em peças compradas pela internet. Além de dar o dinheiro, os pais do menino permitiram que ele montasse o reator, uma geringonça feita de válvulas, mangueiras e um cilindro de aço cheio de deutério (um isótopo do hidrogênio), na sala de jogos da casa da família, em Memphis, nos EUA. Mas quando Jackson se preparava para ligar o reator pela primeira vez, os Oswalt devem ter sentido um friozinho na espinha: o aparelho usa um transformador elétrico de 50 mil volts. O garoto ligou a energia… e deu certo. O reator caseiro produziu uma reação de fusão que durou aproximadamente 1 minuto. Naquele momento, poucas horas antes de completar 13 anos, Jackson Oswalt fez história: tornou-se a pessoa mais jovem a produzir fusão nuclear. “Eu usei energia elétrica para ionizar o deutério e criar plasma, a substância da qual as estrelas são feitas”, explica [o plasma, que se forma quando um gás recebe eletricidade, é o quarto estado da matéria; sucede os estados sólido, líquido e gasoso]. Jackson repetiu o experimento alguns dias depois, e novamente obteve sucesso.

A fusão nuclear, quando dois átomos se transformam num só, também acontece dentro do Sol, onde a enorme força gravitacional comprime átomos de hidrogênio até que eles se fundam, gerando hélio – e liberando enorme quantidade de calor. Ao contrário da fissão nuclear, que usa elementos altamente radioativos e gera lixo nuclear, a fusão é um processo limpo e seguro [veja infográfico ao lado]. Tem potencial para gerar quantidades quase infinitas de energia: o hidrogênio contido em um copo d’água produziria tanta energia quanto um barril de petróleo. Por isso, a fusão é o santo graal da ciência – que há décadas desenvolve reatores do tipo (o primeiro deles, o russo Tokamak T-1, foi construído em 1958). Mas, até hoje, eles ainda não se tornaram uma realidade comercial. Motivo: os reatores têm rendimento negativo, ou seja, consomem mais energia para iniciar o processo de fusão do que é liberada pela fusão em si. Logo, não têm serventia prática.

Isso também vale para o reator caseiro de Jackson Oswalt, que não gerou quantidade significativa de energia. Na verdade, foi o contrário: desperdiçou um caminhão de eletricidade. “A energia utilizada por Oswalt foi 420 watts, mais ou menos o consumo de uma torradeira. A produção foi de 0,0000003 watts, ou seja, houve perda na proporção de 1,4 bilhão para 1”, explica o engenheiro aposentado Richard Hull, um dos responsáveis pelo Fusor.net, fórum onde cientistas amadores trocam dicas sobre fusão nuclear. Jackson só conseguiu comprovar a fusão porque seu reator emitiu nêutrons, um subproduto típico [veja quadro abaixo].

Ele não é o único moleque a mexer com fusão nuclear. Na década passada o americano Taylor Wilson, de 14 anos, já conseguira produzir fusão nuclear (hoje, com 24 anos, ele trabalha como físico). Isso porque alcançar a fusão caseira, embora esteja longe de ser simples, também não é tão difícil quanto se imagina. O deutério, um gás que não é radioativo, pode ser comprado em lojas de suprimentos de laboratório. Dá para fazer a câmara de fusão numa oficina de metalurgia, e o transformador pode ser construído por alguém com conhecimentos básicos de eletrônica. Com US$ 3 mil já é possível montar um reator de fusão.

A façanha de Oswalt foi prontamente reconhecida pelo Fusor.net, que tem mais de mil integrantes e reconhece dois tipos de fusioneers (apelido dado àqueles que alcançam a fusão). A primeira categoria é chamada Plasma Club (“clube do plasma”), formada por pessoas que construíram um fusor (nome dado ao reator) e obtiveram a criação de plasma. Até agosto, faziam parte dessa lista 138 pessoas. A outra categoria reúne aqueles que conseguiram ir além e medir a emissão de nêutrons, provando que houve fusão nuclear. São os membros do Neutron Club, do qual fazem parte Oswalt, Wilson, Hull e mais 106 pessoas.

“O meu dispositivo produz nêutrons em níveis comparáveis aos fusores profissionais. E tem uma vantagem, seu design mais compacto e eficiente”, vangloria-se o engenheiro Garrett Young, de 36 anos, membro do clube do nêutron. Em fevereiro de 2017, ele se tornou o primeiro amador a ultrapassar a emissão de 1 milhão de nêutrons por segundo (a chamada TIER, Total Isotropic Emission Rate, ou taxa total de emissão de isotrópicos). Em julho deste ano, seu reator alcançou 23 milhões de nêutrons por segundo – valor acima do obtido pelos fusores que estão sendo desenvolvidos em empresas e universidades. Young criou uma empresa, a Kineutro, para fabricar pequenos reatores de uso médico. Eles seriam usados na produção de radioisótopos (elementos radioativos usados em máquinas de raio X e radioterapia), e não para gerar energia.

Isso continua sendo um sonho distante. Todas as tentativas humanas de criar um pequeno sol artificial, e dele tirar energia infinita, até hoje só resultaram em grandes desperdícios de eletricidade, esforço e tempo. A fusão nuclear virou até alvo de piadinhas entre alguns pesquisadores, que costumavam dizer: “ela é a fonte de energia do futuro. E sempre vai ser”. 

Mas, após décadas de impasses e decepções, isso começou a mudar – e há sinais de que podemos chegar lá.

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(Estevan Silveira / Carol Malavolta/Superinteressante)

Os cientistas continuam lutando com os reatores de fusão, mas desde 1952 a humanidade já sabe como extrair enormes quantidades de energia desse fenômeno. Naquele ano, os EUA detonaram a Ivy Mike, primeira bomba termonuclear da história.

As bombas atômicas tradicionais, como as que foram jogadas em Hiroshima e Nagasaki, são de fissão nuclear: explodem devido a uma reação em que os átomos de algum elemento pesado, urânio ou plutônio, se quebram de forma intensa e descontrolada. A bomba termonuclear é diferente. Dentro dela há uma bombinha de fissão, que funciona como “espoleta”: ela explode e comprime o segundo estágio da bomba, que está cheio de deutério e trítio (isótopos, ou seja, variações do hidrogênio, com um ou mais nêutrons ligados a um próton solitário). Espremidos pela pressão, esses dois elementos se fundem e geram uma explosão muito maior: a bomba russa Tsar, maior artefato termonuclear já construído, tinha potência de 50 megatons, 3 mil vezes mais que a bomba de Hiroshima.

Mas explodir uma bomba é completamente diferente de manter a fusão nuclear, em níveis controlados e por longos períodos, dentro de um reator. Há uma série de desafios envolvidos. O maior deles é que você gasta muita eletricidade para gerar e manter o plasma – afinal, dentro de uma usina nuclear não dá para usar uma bomba atômica como espoleta –, e isso acaba fazendo com que o reator tenha rendimento negativo, ou seja, consuma mais energia do que produz.

Nas últimas décadas, a resposta para isso foi tentar construir fusores cada vez maiores, que em tese seriam capazes de gerar calor suficiente para manter o plasma aquecido – sem que fosse preciso usar tanta eletricidade. O ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), que está sendo construído por um consórcio de 35 países no sul da França e deve ficar pronto até 2025, será o maior do mundo: foi projetado para trabalhar com uma bola de plasma de 840 metros cúbicos, 1/3 do volume de uma piscina olímpica, e alcançar 150 milhões de graus Celsius – dez vezes a temperatura do centro do Sol. O projeto, que começou em 1985 e já consumiu US$ 14 bilhões, vem avançando lentamente. Só quando o reator for ligado pela primeira vez saberemos se ele é capaz de produzir mais energia do que consome.

Em 2013, pesquisadores do laboratório National Ignition Facility (NIF), na Califórnia, conseguiram fazer isso: e, pela primeira vez na história, criar um reator de fusão com rendimento positivo. Eles tiveram a seguinte ideia: em vez de usar energia elétrica para gerar plasma e comprimi-lo com ímãs, que tal disparar lasers? Eles usaram 192 feixes de laser para aquecer e comprimir deutério e trítio, cujos átomos se fundiram – e liberaram mais energia do que a consumida pelos lasers. Pouco, não o suficiente para uso comercial. Mas foi um marco.

A canadense General Fusion propõe uma saída ainda mais intrigante: usar centenas de pistões, movidos a vapor, para comprimir o plasma. A empresa tem apenas 70 funcionários, mas é considerada a mais promissora das startups de fusão: recebeu US$ 100 milhões de investidores como Jeff Bezos, fundador da Amazon. Na tecnologia que ela está desenvolvendo, o combustível (uma mistura de deutério e trítio) é injetado num reator em formato de esfera e envolvido por um metal líquido, uma liga de chumbo e lítio. Os pistões pressionam o metal líquido, que por sua vez comprime o plasma até que ele atinja a fusão. A fusão libera calor, que aquece o metal líquido. Ele transfere esse calor para um tanque com água, que ferve. Isso movimenta uma turbina, gerando eletricidade, e também vapor – que é usado para pressionar os pistões, reiniciando o processo. O ciclo se repete continuamente, uma vez por segundo, produzindo energia limpa. A General Fusion já construiu um fusor experimental, e faz promessas ousadas. “Em cinco anos, teremos uma instalação de grande porte, aplicando nossa tecnologia em escala comercial”, diz Michael Delage, diretor da empresa.

Todos os reatores de fusão (tirando os de brinquedo, como o de Jackson Oswalt) usam deutério e trítio. O primeiro é inofensivo e pode ser extraído da água do mar, mas o segundo é radioativo – e tem de ser fabricado, o que é feito bombardeando lítio com nêutrons, na própria usina nuclear

O trítio não é, nem de longe, tão perigoso quanto o urânio ou o plutônio, usado nas usinas de fissão nuclear. Ele é bem pouco radioativo e decai rápido (sua meia-vida é de 12 anos, um nada perto dos 24 mil que o plutônio-239 leva para perder metade de sua carga radioativa; ou dos 704 milhões de anos que o urânio-235 demora para fazer isso). E o trítio é um ingrediente, não um subproduto, da fusão – ele desaparece durante a reação. Totalmente diferente do lixo nuclear gerado pelos reatores de fissão.   

Mesmo assim, o trítio não é inofensivo. Por isso, alguns cientistas dizem que seria melhor desenvolver outro tipo de fusão: entre deutério e hélio-3 (He3), um isótopo do hélio comum. Essa reação não requer nenhum ingrediente radioativo, e tem outra vantagem: ela não emite nêutrons (que são gerados pela fusão nuclear tradicional, e desgastam as paredes do reator). O He3 praticamente inexiste na Terra. Mas ele é abundante no subsolo lunar, onde há 1,1 milhão de toneladas desse gás. EUA, Rússia e China já avaliam a construção de bases lunares capazes de extrair e processar o He3, que seria trazido para a Terra por naves cargueiras. Mas isso provavelmente será ainda mais difícil do que dominar a fusão em si.

Enquanto isso, Jackson, Hull e os outros fusioneers continuam sua própria corrida, movidos apenas pela curiosidade científica. “Ser capaz de fazer fusão nuclear em casa dá tanta alegria quanto construir um dispositivo comercial”, diz Hull. A recompensa do cientista, afinal, está na alegria de entender as coisas; não nas possíveis aplicações do que ele descobriu. Quem disse isso foi Albert Einstein, em 1930. Faz todo o sentido – inclusive para os amadores que brincam de fusão caseira. E continuará fazendo mesmo quando, e se, a ciência encontrar a chave da energia ilimitada. Pois há algo ainda mais infinito do que ela: a curiosidade humana.

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(Estevan Silveira / Carol Malavolta/Superinteressante)