Mencione a energia de fusão, e as pessoas por aqui pensarão nas descobertas que estão acontecendo no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) na fusão - combinação - dos núcleos de isótopos de hidrogênio. Mas existem outros tipos de energia de fusão, incluindo um tiro no escuro que acabou de receber um grande impulso da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia (ARPA-E).
Nat Fisch (segundo à esquerda) e sua equipe de pesquisa estão buscando a fusão próton-boro11, que Fisch chama de 'o Santo Graal da energia de fusão realmente limpa e abundante'. A equipe de Fisch inclui dois pós-doutorandos, Ian Ochs (à direita) e Elijah Kolmes (centro), ambos doutorados em 2022. ex-alunos de Princeton e dois alunos de pós-graduação, Mikhail Mlodik (segundo à direita) e Tal Rubin (à esquerda).
Foto de Denise Applewhite, Office of CommunicationsO audacioso projeto de pesquisa está investigando o “Santo Graal” da energia de fusão limpa, disse Nat Fisch, professor de ciências astrofísicas da Universidade de Princeton e principal investigador do novo projeto . Ao contrário da fusão deutério-trítio (DT) perseguida por décadas, ele e sua equipe querem explorar a reação de fusão de um próton com um íon boro-11 (pB11).
"Claro, a reação de fusão mais fácil de longe é DT", disse Fisch, que também é diretor do Programa de Física de Plasma da Universidade e diretor associado de assuntos acadêmicos da PPPL. “É bastante difícil, mas ainda é a abordagem mais sensata a ser seguida, e fui ensinado na pós-graduação que a reação pB11 não pode ser prática. No entanto, o pB11 é o santo graal da energia de fusão realmente limpa e abundante.”
Emily Carter, que recentemente foi nomeada conselheira estratégica sênior para ciência da sustentabilidade na PPPL, disse: “A energia de fusão tem o potencial de fornecer eletricidade estável para abastecer o mundo sem a intermitência e os requisitos de terreno dos parques solares e eólicos e, portanto, vale a pena o nosso investimento.” Carter também é professor Gerhard R. Andlinger de Princeton em Energia e Meio Ambiente, bem como professor de engenharia mecânica e aeroespacial, do Andlinger Center for Energy and the Environment e de matemática aplicada e computacional.
Fisch soube recentemente que sua equipe receberia US$ 1,5 milhão do programa ARPA-E OPEN 2021, que prioriza o financiamento de tecnologias que dão suporte a novas abordagens para os desafios de energia limpa.
Ao anunciar os projetos ARPA-E selecionados, a secretária de energia dos EUA, Jennifer Granholm, disse: “Universidades, empresas e nossos laboratórios nacionais estão se empenhando no avanço da inovação e fabricação de tecnologia de energia limpa na América para fornecer soluções críticas de energia, de renováveis a fusão energia para enfrentar a crise climática”.
Há uma enorme energia disponível na transformação de elementos: no caso da fissão nuclear por divisão de núcleos pesados, no caso da fusão por combinação de núcleos leves, uma reação nuclear que não traz os riscos da fissão. “Para preservar o clima do nosso planeta, são necessárias fontes de energia livres de carbono, como a fusão”, disse Fisch. “A energia de fusão oferece vantagens sobre a fissão”, continuou ele, “não apenas por causa de seu suprimento inesgotável de combustível, mas também porque evita os riscos de acidentes com reatores, proliferação nuclear ou resíduos nucleares de longa duração”.
O esforço mundial concentrou-se na reação de fusão mais fácil, usando duas formas de hidrogênio: deutério e trítio. A principal abordagem para aproveitar a energia dessa reação é o tokamak, um dispositivo em forma de rosquinha que confina a reação por meio de grandes campos magnéticos. O Princeton Plasma Physics Laboratory tem sido um líder mundial nesta abordagem.
Um tipo diferente de reação de fusão
O projeto de Princeton recentemente financiado pela ARPA-E, "Economical Proton-Boron11 Fusion", não é apenas uma variante da fusão DT, mas emprega uma fusão totalmente diferente reação, fundindo um próton (o núcleo de um átomo de hidrogênio) e um núcleo de boro-11 (cinco prótons e seis nêutrons). Ambos os tipos de reações de fusão liberam uma energia enorme, mas a reação próton-boro11 (pB11) requer uma temperatura muito, muito mais alta do que a reação DT.
“A reação DT já é um desafio colossal, exigindo centenas de milhões de graus, portanto, uma reação que requer temperaturas ainda mais altas é considerada praticamente uma impossibilidade”, disse Fisch. “Além disso, mesmo que essas temperaturas pudessem ser alcançadas, em temperaturas tão altas, os elétrons produzem raios-x que transportam mais energia do que a energia produzida na reação de fusão. Portanto, por boas razões, a reação pB11 foi descartada como uma possibilidade real de energia de fusão econômica”.
"Mas, apesar desses desafios", disse Fisch, "a reação pB11 é tentadora." Entre outras vantagens, tanto os prótons quanto o boro-11 estão prontamente disponíveis, de forma natural e barata. ", disse Fisch. "Ou são?"
Sua equipe propõe manter os prótons e o boro em diferentes temperaturas e principalmente em diferentes locais, o que limitaria a perda de calor para o ambiente e maximizaria a reatividade da fusão. A chave: aproveitar a grande disparidade de massa entre os prótons e o boro girando o plasma vigorosamente, de modo que os prótons mais leves residam principalmente em uma região muito mais quente, enquanto os íons de boro mais pesados residem em uma região mais fria.
“Nossas ideias sobre isso são um tiro no escuro”, disse Fisch. “Mas, desde que não violemos nenhuma lei fundamental da termodinâmica – e chegaremos muito perto disso! — Acho que temos a obrigação de explorar totalmente o potencial positivo da fusão pB11. Nossa proposta é puramente teórica, portanto não requer grandes recursos associados a experimentos. No entanto, se nossas ideias funcionarem, talvez improváveis, mas fantásticas se derem certo, precisaremos de parceiros para nos ajudar a navegar pelas principais incertezas experimentalmente.”
Ele continuou: “Mas, mesmo antes de construir experimentos, precisaremos de parceiros, provavelmente fora de nossa especialidade de física de plasma, para ajudar a avançar nosso conceito. Existem considerações de engenharia novas e interdisciplinares que devem ser confrontadas na fusão pB11. Por exemplo, para resolver o importante problema de recircular eficientemente a energia perdida como raios-x, esperamos nos beneficiar da experiência de físicos e engenheiros encontrados em várias Universidades departamentos, além da expertise em física de plasma encontrada no PPPL.”
A equipe de Fisch atualmente inclui dois pós-doutorandos, Ian Ochs e Elijah Kolmes, e dois alunos de pós-graduação, Mikhail Mlodik e Tal Rubin. Ochs e Kolmes são 2022 Ph.D. graduou-se em Princeton com graduação em ciências astrofísicas. Suas teses, ambas supervisionadas por Fisch, tratavam de tópicos aparentemente distantes do projeto pB11, mas fornecendo alguns de seus principais fundamentos teóricos.
“O problema pB11 nos leva a uma série de questões fundamentais da física, ao mesmo tempo em que nos desafia a resolver quebra-cabeças práticos com grande potencial”, disse Kolmes, que também concluiu um curso de graduação em física em Princeton em 2015. “Se tivermos sucesso ou não, certamente nos divertiremos descobrindo coisas interessantes. Além disso, a equipe é agradável de se trabalhar. É um ambiente muito amigável e colaborativo.”
Ochs, que foi Jacobus Fellow, a maior honra de Princeton para um aluno de pós-graduação, concordou: “Esta é uma equipe que trabalhou muito bem em conjunto por muitos anos. Mesmo quando tivemos que mudar da reunião no quadro-negro para a reunião no Zoom, nunca perdemos o senso de colaboração e apoio que nos permitiu combinar o conjunto de habilidades e a base de conhecimento únicos de cada pessoa para lidar com problemas difíceis e complexos. Esse espírito de trabalho em equipe é exemplificado no grande número de publicações em coautoria produzidas pelo grupo. Estamos extremamente empolgados em usar essa base sólida para enfrentar um dos maiores desafios na pesquisa de fusão: energia de fusão aneutrônica verdadeiramente limpa”.
Esta pesquisa é apoiada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada-Energia (ARPA-E), que promove tecnologias de energia de alto potencial e alto impacto, desenvolvendo maneiras totalmente novas de gerar, armazenar e usar energia. Os projetos de pesquisa e desenvolvimento do OPEN 2021 visam desenvolver tecnologias disruptivas para fortalecer a empresa de energia avançada do país.
