George R. Tynan, Universidade da Califórnia, San Diego e Farhat Beg, Universidade da Califórnia, San Diego
A forma como os cientistas enxergam a fusão mudou para sempre em 2022, quando o que alguns chamaram de o experimento do século demonstrou pela primeira vez que a fusão pode ser uma fonte viável de energia limpa.
O experimento, realizado no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, demonstrou ignição: uma reação de fusão que gera mais energia do que a que foi consumida.
Além disso, os últimos anos foram marcados por um investimento bilionário de empresas privadas no setor, principalmente nos Estados Unidos.
No entanto, uma série de desafios de engenharia precisa ser enfrentada antes que a fusão possa ser ampliada para se tornar uma fonte segura e acessível de energia limpa virtualmente ilimitada. Em outras palavras, é hora da engenharia.
Como engenheiros que trabalham há décadas em ciência fundamental e engenharia aplicada na fusão nuclear, vimos grande parte da ciência e da física da fusão atingir a maturidade nos últimos 10 anos.
Mas, para que a fusão se torne uma fonte viável de energia comercial, os engenheiros agora precisam enfrentar uma série de desafios práticos. Se os Estados Unidos aproveitarão essa oportunidade e emergirão como líder global em energia de fusão dependerá, em parte, de quanto o país está disposto a investir na resolução desses problemas práticos – particularmente por meio de parcerias público-privadas.
Construindo um reator de fusão
A fusão ocorre quando dois tipos de átomos de hidrogênio, deutério e trítio, colidem em condições extremas. Os dois átomos literalmente se fundem em um único átomo ao serem aquecidos a 100 milhões de graus Celsius (180 milhões de graus Fahrenheit), 10 vezes mais quente que o núcleo do Sol. Para que essas reações aconteçam, a infraestrutura de energia de fusão precisará suportar essas condições extremas.
Existem duas abordagens para alcançar a fusão em laboratório: fusão por confinamento inercial, que utiliza lasers poderosos, e fusão por confinamento magnético, que utiliza ímãs poderosos.
Enquanto o “experimento do século” utilizou fusão por confinamento inercial, a fusão por confinamento magnético ainda não demonstrou que pode gerar mais energia do que consome.
Vários experimentos financiados por empresas privadas pretendem alcançar esse feito ainda nesta década, e um grande experimento internacional na França, o ITER, também espera atingir esse marco no final da década de 2030. Ambos utilizam fusão por confinamento magnético.
Desafios pela frente
Ambas as abordagens para a fusão enfrentam uma série de desafios que não serão baratos de superar. Por exemplo, os pesquisadores precisam desenvolver novos materiais que possam suportar temperaturas extremas e condições de irradiação.
Os materiais do reator de fusão também tornam-se radioativos ao serem bombardeados com partículas altamente energéticas. Os pesquisadores precisam projetar novos materiais que possam decair em poucos anos até níveis de radioatividade que sejam seguros e mais fáceis de descartar.
Produzir combustível suficiente de forma sustentável também é um desafio importante. O deutério é abundante e pode ser extraído da água comum. No entanto, aumentar a produção de trítio, que geralmente é produzido a partir do lítio, será muito mais difícil. Um único reator de fusão precisará de centenas de gramas a um quilograma de trítio por dia para operar.
Atualmente, reatores nucleares convencionais produzem trítio como subproduto da fissão, mas isso não é suficiente para sustentar uma frota de reatores de fusão.
Portanto, os engenheiros precisarão desenvolver a capacidade de produzir trítio dentro do próprio dispositivo de fusão. Isso pode envolver cercar o reator de fusão com materiais contendo lítio, que a reação converterá em trítio.
Para ampliar a fusão inercial, os engenheiros precisarão desenvolver lasers capazes de atingir repetidamente um alvo de combustível de fusão, feito de deutério e trítio congelados, várias vezes por segundo. Mas ainda não existe laser poderoso o suficiente para fazer isso nessa frequência. Os engenheiros também precisarão desenvolver sistemas de controle e algoritmos que direcionem esses lasers com extrema precisão no alvo.
Além disso, os engenheiros precisarão aumentar a produção de alvos em ordens de magnitude: de algumas centenas feitos à mão todos os anos, com um custo de centenas de milhares de dólares cada, para milhões custando apenas alguns dólares cada.
Para o confinamento magnético, engenheiros e cientistas de materiais precisarão desenvolver métodos mais eficazes para aquecer e controlar o plasma, bem como materiais mais resistentes ao calor e à radiação para as paredes dos reatores. A tecnologia usada para aquecer e confinar o plasma até que os átomos se fundam precisa operar de forma confiável por anos.
Estes são alguns dos grandes desafios. Eles são difíceis, mas não insuperáveis.
Cenário atual de financiamento
Os investimentos de empresas privadas globalmente aumentaram – estes provavelmente continuarão a ser um fator importante impulsionando a pesquisa de fusão. Empresas privadas atraíram mais de US$ 7 bilhões em investimentos privados nos últimos cinco anos.
Várias startups estão desenvolvendo diferentes tecnologias e projetos de reatores com o objetivo de adicionar fusão à rede elétrica nas próximas décadas. A maioria está sediada nos Estados Unidos, com algumas na Europa e na Ásia.
Foi o Departamento de Energia dos EUA que investiu cerca de US$ 3 bilhões para construir o National Ignition Facility no Lawrence Livermore National Laboratory em meados dos anos 2000, onde o “experimento do século” ocorreu 12 anos depois.
Em 2023, o Departamento de Energia anunciou um programa de quatro anos no valor de US$ 42 milhões para desenvolver centros de fusão para a tecnologia. Embora esse financiamento seja importante, provavelmente não será suficiente para resolver os desafios mais importantes que ainda restam para os Estados Unidos emergirem como líderes globais em energia de fusão prática.
Uma forma de construir parcerias entre o governo e empresas privadas nesse setor poderia ser criar relações semelhantes àquela entre a NASA e a SpaceX. Como uma das parceiras comerciais da NASA, a SpaceX recebe financiamento tanto do governo quanto do setor privado para desenvolver tecnologias que a NASA pode utilizar. Foi a primeira empresa privada a enviar astronautas ao espaço e à Estação Espacial Internacional.
Junto com muitos outros pesquisadores, estamos cautelosamente otimistas. Novos resultados experimentais e teóricos, novas ferramentas e investimentos do setor privado estão todos contribuindo para nossa crescente percepção de que o desenvolvimento de energia de fusão prática não é mais uma questão de “se”, mas de “quando”.
George R. Tynan, Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade da Califórnia, San Diego e Farhat Beg, Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade da Califórnia, San Diego
Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
