“Deus não joga dados”, disse Einstein, criticando a agora clássica interpretação de Copenhague (probabilística) da mecânica quântica moderna. Muitas pessoas não percebem, mas o nosso Sol e as estrelas queimam graças às leis do mundo quântico que assustaram e indignaram Einstein. Hoje, cientistas na China exploraram essas leis e desenvolveram uma maneira de iniciar uma reação termonuclear em condições terrestres de forma barata, sem recriar o ambiente dentro das estrelas.
Fonte da imagem: Jin-Tao Qi
Para alcançar uma reação termonuclear autossustentável dentro de um reator na Terra, os átomos de combustível ionizados (hidrogênio) devem superar a repulsão Coulombiana e se fundir, formando um átomo de hélio. Costuma-se dizer que a enorme pressão e a temperatura relativamente alta do Sol, de 15 milhões de °C, facilitam esse processo. Na realidade, as condições físicas dentro de uma estrela são insuficientes para uma reação de fusão termonuclear autossustentável (e são ainda menos adequadas nas câmaras dos reatores termonucleares na Terra).
Os núcleos de hidrogênio superam a barreira Coulombiana por tunelamento, em vez de saltarem para fora dos poços de energia. O tunelamento ocorre de acordo com as leis da mecânica quântica, com um grau significativo de probabilidade para tais eventos. Na escala de uma estrela, isso garante a reação termonuclear e a combustão contínua simplesmente porque há muitos núcleos de hidrogênio presentes — há o suficiente para se fundir, mesmo levando em consideração as propriedades probabilísticas desse processo.
Físicos chineses adotaram uma abordagem inesperada: em vez de tentar bombear o plasma do reator ao seu limite, propuseram aumentar a probabilidade do efeito túnel para os núcleos de hidrogênio combustível. Se os núcleos não escapam de seus poços de energia de qualquer maneira, por que desperdiçar energia extra? Foi assim que surgiu um artigo teórico de três cientistas chineses: Jintao Qi, da Universidade de Tecnologia de Shenzhen; o professor Zhaoyan Zhou, da Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa; e o professor Xu Wang, da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Academia Chinesa de Engenharia.Física (Escola de Pós-Graduação da Academia Chinesa de Física da Engenharia).
O trabalho baseou-se em cálculos do comportamento de dois núcleos de combustível de hidrogênio: deutério e trítio. No futuro, os pesquisadores analisarão sua proposta levando em consideração múltiplos núcleos e sua influência mútua. A ideia é complementar o aquecimento clássico do plasma de combustível em um reator com um processo que aumente a probabilidade de os núcleos de combustível tunelarem através da barreira de Coulomb sem um gasto significativo de energia. Tal “truque” poderia ajudar a reduzir os custos energéticos totais da iniciação de reações de fusão em reatores e aproximar o desenvolvimento de usinas de fusão comerciais.
Lasers de alta frequência (como lasers de raios X de elétrons livres) têm sido tradicionalmente considerados para bombear energia para o plasma; eles direcionam partículas de energia extremamente alta para o plasma. Uma nova análise mostrou que lasers de baixa frequência (incluindo aqueles na faixa do infravermelho próximo) são mais eficazes em aumentar a probabilidade de fusão com o mesmo ou comparável gasto de energia. Isso se deve ao fato de o campo de baixa frequência permitir que os núcleos absorvam e emitam fótons repetidamente durante sua aproximação, interagindo mais intensamente com o campo eletromagnético dos lasers de bombeamento, expandindo a distribuição de energia da colisão e, assim, aumentando as chances de tunelamento quântico através da barreira de Coulomb.
Como exemplo numérico, os autores fornecem as seguintes estimativas: com uma energia de colisão de 1 keV (quiloeletronvolt), sem um laser auxiliar, a probabilidade de uma reação deutério-trítio é extremamente baixa. No entanto, quando o combustível é irradiado com o campo de um laser de baixa frequência comCom uma energia de 1,55 eV e uma intensidade de 10²⁰ W/cm², a probabilidade de fusão aumenta em três ordens de magnitude — um fator de 1.000. Aumentar a intensidade para 5×10²¹ W/cm² aumenta a probabilidade de fusão em nove ordens de magnitude (um bilhão de vezes!) em comparação com as condições padrão. Esta é uma possibilidade incrível, anteriormente desconsiderada ou considerada inviável.
Embora o trabalho ainda seja teórico, ele fornece uma base geral para analisar reações de fusão impulsionadas por campos de laser em várias frequências e intensidades e aponta para a possibilidade de relaxar as rigorosas condições de temperatura na fusão controlada. No futuro, os autores planejam estender a teoria para ambientes de plasma mais realistas com efeitos coletivos e interações laser-plasma, o que é fundamental para avaliar a viabilidade prática dos mecanismos descritos em condições de laboratório.