A fusão nuclear abastece as estrelas com sua energia, permitindo que elas gerem luz

As estrelas, como o nosso sol, são alimentadas por fusão nuclear. Crédito da imagem: DrPixel/Getty Images

A fusão nuclear é o processo de unir dois núcleos atômicos leves e criar um mais pesado, no processo de pegar uma pequena quantidade de matéria e transformá-la em grandes quantidades de energia. 

É a fusão nuclear que abastece as estrelas, incluindo o sol, com sua energia, permitindo que elas gerem luz. A grande maioria da energia que a Terra recebe vem do sol e, sem ela, a própria vida em nosso planeta seria impossível. 

Essa energia é direcionada ao nosso planeta a partir do que pode ser vagamente descrito como a superfície de nossa estrela, a fotosfera. Essa camada da bola de plasma superaquecida que chamamos de sol é aquecida pelo núcleo da estrela, onde ocorre a maior parte da fusão nuclear. Esta fonte de energia é tão onipresente e tão vital aqui na Terra, que não é de admirar que os físicos estejam desesperados para reproduzi-la em reatores em nosso planeta. Um futuro alimentado por fusão pode significar que as crescentes necessidades de energia da humanidade serão atendidas por energia de fusão limpa e altamente eficiente.

A FUSÃO NUCLEAR ALIMENTA AS ESTRELAS

A chave para entender como a fusão gera energia é a infame equação de Albert Einstein que explica como a energia é igual à massa vezes a velocidade da luz ao quadrado (E=mc²). Isso nos diz que matéria e energia são intercambiáveis, enquanto o termo c² nos diz que um pouco de massa cria muita energia.

Quando as partículas de matéria se fundem, as partículas que entram no processo têm um pouco mais de massa do que as partículas filhas que são criadas, com a diferença de massa 'liberada' como energia.

Mesmo com o considerável rendimento de massa para energia da fusão, cada incidência de fusão libera apenas uma pequena quantidade de energia. Felizmente, as estrelas compensam isso por terem muita matéria-prima para a fusão de energia, e esses processos são executados a taxas incríveis. 

O principal processo de fusão que fornece a grande maioria da energia do sol é a cadeia próton-próton I (PPI). Existem dois outros ramos da cadeia PP (II e III), mas estes representam apenas cerca de 15 por cento da fusão termonuclear no sol.

O processo da cadeia PPI envolve quatro átomos de hidrogênio colidindo e criando um átomo de hélio, dois elétrons, dois neutrinos e dois fótons de raios gama altamente energéticos.

Uma ilustração do processo de fusão nuclear, especificamente a criação de hélio a partir de hidrogênio. Quatro prótons (núcleos de hidrogênio) estão se combinando à esquerda, liberando no processo dois prótons e dois nêutrons (um núcleo de hélio). Crédito da imagem: Mark Garlick/Getty Images

Enquanto parte da energia é transportada como energia cinética da partícula filha, a maioria é transportada pelos dois fótons de raios gama. No entanto, esses fótons lutarão para escapar do interior denso da estrela, levando mais de 30.000 anos para se mover do núcleo para a superfície. Durante esse tempo, os fótons estão passando por uma série de colisões, absorções e reemissões, que 'rebaixam' sua energia para fótons de luz visível eventualmente irradiados pela fotosfera.

Cada ocorrência do PPI irradia cerca de 0,0000000000044 Joules, o que significa, ignorando o outro processo de fusão que ocorre no sol, nossa estrela tem que completar esse processo cerca de 9x10³7 (9 seguido de 37 zeros) vezes a cada segundo para manter sua luminosidade!

Se quatro gramas de hidrogênio fossem convertidos em hélio por meio desse processo, apenas 0,0028 gramas escapariam como energia. Isso equivale a cerca de 260 bilhões de Joules, energia suficiente para alimentar uma lâmpada de 60 watts por cerca de 100 anos.

Por causa de seu tremendo conteúdo de hidrogênio, o sol manteve essa taxa de fusão por cerca de quatro bilhões e meio de anos e continuará a fazê-lo por mais quatro bilhões e meio de anos até que o hidrogênio em seu centro se esgote.

Essa fase de forjamento de hélio que queima hidrogênio é o que os astrofísicos chamam de vida da sequência principal de uma estrela. Mas o hélio não é o único elemento químico forjado no sol. Quando e onde as estrelas forjam elementos mais pesados?

COMO A FUSÃO NUCLEAR FORJA OS ELEMENTOS QUÍMICOS?

Os astrônomos descrevem as estrelas como contendo hidrogênio, hélio e tudo mais (com elementos mais pesados que o hélio descrito como 'metais' pelos astrônomos) e esses outros elementos também desempenham um papel na fusão.

O PPI não é a principal reação de fusão em estrelas mais massivas que o sol, no entanto. Em vez disso, a maior parte da energia dessas estrelas vem do ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio (CNO), que requer as temperaturas mais altas de estrelas mais massivas para começar. 

O ciclo CN começa com o núcleo de um átomo de carbono-12 usando-o como catalisador, um elemento que acelera uma reação, mas permanece inalterado no final dela, para a fusão. O carbono-12 através da captura de prótons passa por vários estágios até que um átomo de hélio seja emitido e o carbono-12 seja recuperado. O ciclo do NO é semelhante, mas usa nitrogênio-14 como catalisador. 

A energia gerada pela fusão serve a um propósito vital dentro das estrelas, fornecendo a pressão externa que equilibra a bola de plasma contra a força interna da gravidade. Isso significa que quando a fusão cessa, a pressão externa também diminui; isso resulta no colapso da estrela e no inchaço e perda de suas camadas externas. 

Para estrelas mais massivas que o Sol, que terminarão sua vida como uma anã branca? fumegante, esse colapso gravitacional cria pressão suficiente para desencadear a fusão nuclear de hélio criada pela vida da sequência principal em seu núcleo, fundindo-a para criar carbono, neon e oxigênio.

Quando o hélio se esgota, o colapso ocorre novamente, desencadeando a fusão de elementos ainda mais pesados. À medida que isso continua, a estrela desenvolve uma estrutura semelhante a uma cebola com elementos mais leves se fundindo em suas camadas externas e, posteriormente, elementos mais pesados sendo criados em direção ao núcleo.

Um close-up do sol representando a atividade da superfície solar e a coroa. Crédito da imagem: DrPixel/Getty Images

Essa progressão de fusões nucleares termina mesmo para as estrelas mais massivas quando o ferro domina o núcleo estelar. Isso ocorre porque o ferro é um elemento extremamente estável e as estrelas não são massivas o suficiente para desencadear sua fusão.

Quando toda a fusão nuclear cessa, a estrela sofre um colapso gravitacional final e catastrófico. Isso desencadeia em uma supernova que lança os elementos que a estrela forjou durante sua vida no universo.

Esse material dessas estrelas mortas se torna os blocos de construção da próxima geração de estrelas, os planetas e tudo ao nosso redor, incluindo nossos próprios corpos humanos.

Além disso, ondas de choque do núcleo de ferro comprimido, que eventualmente dará origem a uma estrela de nêutrons ou até mesmo um buraco negro, atingem o gás liberado pela supernova, desencadeando mais fusão nuclear, criando elementos mais pesados que o ferro e materiais radioativos, além de emitir raios-x e raios gama. 

TRAZENDO ENERGIA DE FUSÃO NUCLEAR PARA A TERRA

A humanidade não pode trazer os núcleos das estrelas para a Terra, então a próxima melhor coisa é replicar o gás denso de plasma encontrado no coração do sol. 

Os dispositivos designados com a tarefa de fazer isso aqui na Terra, reatores de fusão nuclear, são chamados de tokamaks. Os tokamaks também são chamados de 'sóis artificiais' devido ao fato de essas máquinas em forma de rosquinha replicarem processos que ocorrem ao sol.

O interior de um reator de fusão nuclear tokamak. Crédito da imagem: Monty Rakusen/Getty Images

Atualmente, existem mais de 200 tokamaks em operação em todo o mundo, com os marcos científicos alcançados nesses dispositivos desenvolvendo um roteiro para a operação do Reator Experimental Termonuclear Internacional, ou ITER?, o maior experimento de fusão do mundo em construção no sul da França.

Um tokamak comercial terá como objetivo usar a energia térmica de um plasma aquecido por fusão para aquecer água, criar vapor e, por sua vez, girar uma turbina que gera eletricidade.

Embora a fusão possa envolver uma grande quantidade de elementos químicos, a reação nuclear que a maioria dos tokamaks pretende viabilizar é a fusão dos isótopos pesados de hidrogênio deutério (com um núcleo de um próton e um nêutron) e trítio (um próton e dois nêutrons). A fusão de átomos desses elementos cria um nêutron e um núcleo de hélio.

Parte do que torna a fusão uma fonte de energia tão promissora é o fato de que o deutério é facilmente extraído da água do mar comum. A Agência Atômica Internacional (AIEA) estima que deutério suficiente pode ser extraído de 0,26 galões (um litro) de água para fornecer tanta energia quanto a combustão de 79 galões (300 litros) de óleo. Isso significa que os oceanos contêm deutério suficiente para sustentar as necessidades de energia de fusão da humanidade por milhões de anos.

O trítio, por outro lado, pode ser feito a partir do lítio, também abundante na natureza. 

Além disso, os principais subprodutos da energia de fusão, nêutrons e hélio, não são radioativos e, portanto, não apresentam os mesmos problemas de descarte que o subproduto das usinas de fissão nuclear, com a fissão sendo quase a imagem espelhada da fusão, quebrando grandes átomos separados em átomos menores, muitas vezes radioativos.

Os subprodutos da fusão também não têm um impacto ambiental significativo, ao contrário dos gases de efeito estufa criados pela queima de combustíveis fósseis, um fator importante que contribui para as mudanças climáticas causadas pelo homem. 

A questão é; se o poder de fusão é tão bom, por que ainda não o temos?

POR QUE AINDA NÃO TEMOS REATORES DE FUSÃO NUCLEAR?

Os processos de fusão não são fáceis de replicar aqui na Terra, parcialmente porque forças massivas de gravidade dentro das estrelas são necessárias para superar a repulsão entre os núcleos atômicos de hidrogênio carregados positivamente.

Essa incrível pressão gravitacional não pode ser reproduzida aqui na Terra, então, em vez disso, os projetistas de tokamaks devem gerar fusão em plasmas a temperaturas incrivelmente quentes, muito maiores do que as do coração do sol, para aproximar os núcleos o suficiente para se fundir. 

A temperatura alvo para plasmas em tokamaks é de cerca de cerca de 150 milhões de graus Celsius (270 milhões de graus Fahrenheit). Isso é cerca de 100 vezes a temperatura no núcleo do sol, cerca de 15 milhões de graus Celsius (27 milhões de graus Fahrenheit).

O atual recorde de temperatura para o tokamak é detido pelo tokamak EAST da China que no final de 2021 foi capaz de gerar plasma a uma temperatura de cerca de 120 milhões de graus Celsius (216 milhões de graus Fahrenheit) por 101 segundos. Durante este tempo, o plasma atingiu brevemente uma temperatura máxima de cerca de 160 milhões de graus Celsius (288 milhões de graus Fahrenheit).

O Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), designação interna HT-7U, um reator experimental de energia de fusão nuclear magnética tokamak supercondutor, em Hefei, na província de Anhui, centro da China, segunda-feira, 15 de abril de 2019. Crédito da imagem: Mu Chen/Future Publishing via Getty Images

No entanto, temperaturas extremas não são a única coisa que os tokamaks precisam gerar para replicar a influência gravitacional do sol. O plasma superaquecido deve ser contido e, para fazer isso, os tokamaks usam campos magnéticos incrivelmente poderosos. Atualmente, é preciso mais energia para gerar esses campos do que os cientistas podem obter com a fusão. 

O recorde de geração de energia de fusão aqui na Terra foi estabelecido pelo laboratório Joint European Torus (JET) em Oxfordshire, Inglaterra, em fevereiro de 2022. O tokamak foi capaz de gerar 59 megajoules de energia usando uma mistura de combustível deutério-trítio em um experimento que durou pouco mais de cinco segundos. 

Qualquer tokamak que procure atender às demandas reais de energia terá que sustentar o plasma superaquecido por períodos muito mais longos do que isso, com o objetivo principal de criar um plasma autossustentável. 

Se tudo correr conforme o planejado, o ITER será o primeiro reator de fusão a produzir energia líquida, o que significa produzir mais energia do que é necessário para gerar plasma superaquecido e mantê-lo contido em um poderoso campo magnético.

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RECURSOS ADICIONAIS

O que são os tokamaks, os dispositivos que contêm plasma superaquecido para gerar a fusão? Leia mais no site do Departamento de Energia dos EUA.

BIBLIOGRAFIA

• "O que é Fusão Nuclear?" AIEA (2022). 
• "DOE explica... Reações de fusão nuclear" Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (2022). 
• "Uma Introdução ao Sol e às Estrelas" Jones. MH & Green. SF (2003). Cambridge University Press.
• "Evolução Estelar e Nucleossíntese" Ryan. SG & Norton. AJ (2010). Cambridge University Press.
• "60 anos de progresso" ITE (2022).
• "O Sol e a Fusão Nuclear" Western Washington University (2022). 
• "Estrelas Velhas" ASPIRE (2022).
• "Registro de energia de fusão demonstra o futuro da usina" GOV.UK (2022).

— Este artigo foi atualizado em 11 de setembro de 2022 pelo editor da Gaia Ciência.

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Referência:

LEA, Robert. What is nuclear fusion? Space, Nova York, 09, set. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/what-is-nuclear-fusion>. Acesso em: 11, set. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.