Há uma pequena esfera de diamante que pode ajudar no sonho da energia limpa infinita

À 1h03 do dia 5 de dezembro, cientistas do National Ignition Facility, na Califórnia, apontaram um laser de 192 feixes a um cilindro, o qual continha uma minúscula cápsula de combustível de diamante.

A poderosa explosão de luz laser criou imensas temperaturas e pressões e provocou uma fusão nuclear — a reação que alimenta o sol.

O National Ignition Facility (NIF), parte do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), já tinha feito experiências semelhantes no passado, mas desta vez a energia que saiu da reação foi maior do que a potência do laser usado para ativá-la.

Os cientistas tentam há décadas atingir esse limite e a esperança é, um dia, construir centrais de fusão nuclear que permitam gerar eletricidade abundante e livre de carbono.

Para já, esse resultado está ainda está um pouco longe de ser alcançado e, enquanto tal não sucede, muito trabalho precisa ser feito no desenvolvimento da tecnologia.

Um dos principais componentes do NIF é uma cápsula de diamante sintético do tamanho de um grão de pimenta, que contém o combustível.

As propriedades dessa cápsula esférica são cruciais para criar uma experiência de fusão bem-sucedida. A esfera deve ser perfeitamente lisa e livre de contaminação — qualquer anomalia pode acabar com a experiência.

As esferas projetadas com precisão não são fabricadas na Califórnia, são, na verdade, o resultado de anos de trabalho da Diamond Materials, uma empresa sediada em Freiburg, na Alemanha.

“A procura pelas cápsulas é muito alta”, diz Christoph Wild que, juntamente com Eckhard Wörner, é diretor administrativo da Diamond Materials. “Colaboramos de perto com Lawrence Livermore e tentamos minimizar defeitos como impurezas, cavidades ou paredes irregulares.”

A equipa de 25 pessoas da Diamond Materials fabrica diamantes sintéticos através de um processo chamado deposição de vapor químico.

Do início ao acabamento

O processo leva cerca de dois meses a criar cada lote de 20 a 40 cápsulas, que são feitas meticulosamente colocando minúsculos cristais de diamante em torno de um núcleo de carboneto de silício e polindo repetidamente.

Durante o processo de desenvolvimento, os investigadores descobriram que mesmo o polimento mais meticuloso não era suficiente, já que ao nível microscópico a superfície ainda estava esburacada e irregular.

Em parceria com equipas do LLNL, estes finalmente descobriram que poderiam pintar uma cápsula polida com uma nova camada de cristais de diamante para obter o acabamento espelhado limpo de que precisavam.

Quando as cápsulas de diamante chegam ao LLNL, o núcleo de silício é removido e um minúsculo tubo de vidro é usado para encher a esfera oca com deutério e trítio, ambos tipos pesados de hidrogénio, que alimentam a fusão nuclear.

“Em torno desses combustíveis de pellets está um cilindro de ouro e urânio enfraquecido”, explica Mike Farrell, vice-presidente de tecnologia de fusão inercial da General Atomics, que é o maior parceiro industrial da LLNL.

A terceira e última camada da cápsula é um cilindro de alumínio usado para resfriar o conteúdo da cápsula antes da reação.

Outra área crucial da tecnologia para o NIF é a ótica — qualquer coisa que suporte a transmissão, deteção ou utilização da luz. O NIF opera o laser mais poderoso do mundo, e os componentes ópticos são danificados de cada vez que a máquina é acionada.

Desde o início dos anos 1970, a NIF tem trabalhado em estreita colaboração com fabricantes de óptica como a Zygo Corporation e a fabricante de vidro especializada SCHOTT para ajustar e fornecer peças de reposição, bem como detritos e escudos de explosão.

Após a experiência bem-sucedida de dezembro, o próximo desafio para o NIF e os seus parceiros será otimizar ainda mais a tecnologia para replicar e melhorar a reação. Mike Farrell espera que o passo à frente possa ajudar a promover o apoio para investigações futuras.

“A experiência mudou a opinião científica. A ignição foi sempre considerada quase inatingível, ou algo que só pode acontecer daqui a 40 anos. O resultado em dezembro foi revelador”, diz Farrel

De volta a Freiburg, a Diamond Materials espera poder investir mais tempo na pesquisa. “Cerca de 20% de nossa equipa está envolvida na pesquisa e nós, dois diretores administrativos, também somos físicos”, diz Wild.

“A pesquisa ao nível que produzimos requer muitos recursos e não podemos negligenciar a produção. Portanto, provavelmente continuaremos a aumentar a equipa. Afinal, a pesquisa de hoje leva aos produtos de amanhã.”

Equipas de cientistas de todo o mundo estão a esforçar-se para construir uma central de fusão funcional — usando todos os tipos de abordagens. Mas demorará muitos anos e milhões de dólares de investimento.

O marco do ano passado no NIF provavelmente será um impulso para o setor, diz Farrell: “Obter financiamento governamental e corporativo pode ser mais fácil agora que mostramos que a ignição é possível.”

O investimento será necessário para superar os consideráveis desafios de engenharia enfrentados na construção de uma central de energia e, em especial, para encontrar materiais que possam resistir à grande quantidade de energia emitida pelo processo de fusão.

Mas Farrell é rápido a apontar a velocidade com que o progresso pode ganhar força depois que o avanço inicial é feito. “Depois de mostrar os primeiros princípios, como acabamos de fazer, os engenheiros assumem as rédeas para descobrir como fazer isso de forma reproduzível.”

“Lembre-se, o primeiro voo dos irmãos Wright aconteceu em 1903 e o primeiro voo supersónico foi na década de 1950. Em 40 anos ou mais, muita coisa pode progredir.”