Um passo mais próximo das estrelas

A fonte de energia para o futuro da humanidade pode estar escondida dentro de um minúsculo cilindro dourado que cabe na ponta de um dedo... e que é usado como alvo para os quase duzentos feixes do laser mais energético do mundo.

Há várias décadas que os cientistas perseguem o sonho de conseguir replicar em laboratório e de forma controlada a fusão nuclear - o mecanismo natural através do qual as estrelas produzem a sua imensa energia. Para isto, é preciso pegar em dois isótopos do elemento hidrogénio e obrigá-los a fundirem-se, formando hélio e liberando energia. Mas esta união é muito difícil de atingir, devido à repulsão mútua dos isótopos, e as condições físicas em que esta se consegue ultrapassar são extremamente sensíveis.

Um dos  principais métodos considerados para se tentar alcançar a fusão é o chamado confinamento magnético, em que um anel de plasma - um gás ionizado - é mantido a altas temperaturas num volume restrito. Um exemplo de um sistema deste tipo é o projecto internacional ITER , agora em desenvolvimento no sul de França. O outro método é a fusão por confinamento inercial, em que um pequeno alvo atestado de "combustível" nuclear é irradiado por um grande número de feixes laser de alta intensidade, comprimindo-o de modo a que as condições para se obter fusão sejam atingidas no seu núcleo. Também na Europa, está em desenvolvimento o projecto HiPER , que explora esta via alternativa. (Portugal é representado em ambos os projectos pelo Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear , unidade de investigação do Instituto Superior Técnico , Lisboa)

Agora, num artigo publicado na revista Science desta semana, cientistas do Laboratório Lawrence Livermore , na Califórnia, dão conta de um avanço significativo na tentativa de atingir fusão nuclear usando lasers. Para isso, usaram aquele que é o maior laser do mundo - o mega-projecto National Ignition Facility (NIF) - que foi inaugurado em Maio de 2009 e começa agora a dar os primeiros resultados de sucesso. O NIF, cuja construção se iniciou em 1997, tem um total de 192 feixes laser de alta energia, gerados ao longo de uma cadeia de amplificação que ocupa um espaço equivalente ao de três campos de futebol. O coração do NIF consiste numa enorme câmara de aço esférica, com três andares de altura, onde cada um dos feixes entra por uma pequena janela e é focado no centro. Aqui encontra-se o pequeno cilindro dourado, chamado hohlraum, cujo interior é iluminado de forma simétrica pelo total dos feixes (ver imagem). A energia luminosa que atinge este alvo é de 1.8 milhões de Joules, concentrada em impulsos cuja duração é inferior a um centésimo de milionésimo de segundo. Desta vez, ainda não foi utilizada toda a energia - apenas cerca de 40%. Mesmo assim, trata-se de um novo recorde mundial de energia produzida por um laser, sendo 20 vezes superior ao máximo atingido anteriormente. E a colossal potência equivalente seria suficiente para fazer evaporar num segundo toda a água de 50 piscinas olímpicas.

Na fusão por confinamento inercial, os feixes laser criam um "banho" de raios-x dentro do hohlraum, em cujo interior está colocada uma micro-cápsula contendo o combustível. O raios-x fazem com que a cápsula seja comprimida e a sua temperatura se eleve de forma quase instantânea até milhões de graus. As densidades atingidas levam a que se dê a fusão dos átomos no seu interior. Se a energia libertada for superior a toda a  energia que foi investida para a produzir, temos uma fonte eficiente.

Espera-se que este processo seja a chave para se atingir a fusão, só que o caminho até lá se chegar está cheio de dificuldades técnicas. Por exemplo, a irradiação do alvo tem que ser feita de forma extremamente simétrica e homogénea, já que quaisquer desequilíbrios perturbam e inviabilizam o processo. Outro problema que preocupa os investigadores há três décadas tem a ver com o plasma criado pelos lasers dentro do hohlraum. Acontece que os lasers são de tal forma intensos que, ao interagirem com o interior do pequeno cilindro, vaporizam a sua matéria, criando uma "sopa" de partículas carregadas entre as suas paredes. Pensava-se que esta "sopa" de plasma actuaria como um nevoeiro, prejudicando a capacidade da cápsula ser uniformemente iluminada, e afectando inevitavelmente a eficiência de absorção da luz.

O que as recentes experiências realizadas no NIF demonstraram é que o plasma não reduz a capacidade de absorção de energia como se temia, mas que até pode ser manipulado favoravelmente de forma a optimizar a iluminação da cápsula e a uniformidade da compressão. Foi uma prova dramática de que aquele que se receava que fosse um dos principais problemas pode afinal ser ultrapassado. É um dos resultados mais promissores em toda a história da fusão nuclear.

Entretanto, uma vez concluída esta fase de demonstração, os investigadores do NIF contam iniciar em Maio as experiências com alvos efectivamente carregados de combustível, e utilizando a 100% a energia que pode ser produzida pelo sistema. Com estes parâmetros, eles estão convictos de que a demonstração de fusão nuclear pode estar para muito breve. No ano em que se comemoram os 50 anos da invenção do laser, seria um presente a condizer.