A fusão nuclear controlada tem sido um santo graal para os físicos que buscam um suprimento infinito de energia limpa. Cientistas da Rice University, a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e a Universidade do Chile ofereceram um vislumbre de um possível novo caminho em direção a esse objetivo.

Seu relatório sobre fusão controlada por quantum apresenta a noção de que, em vez de aquecer átomos às temperaturas encontradas dentro do sol ou esmagá-los em um colisor, pode ser possível empurrá-los perto o suficiente para fundir usando pulsos de laser em forma:ultracurto, rajadas sintonizadas de luz coerente.

Autores Peter Wolynes de Rice, Martin Gruebele de Illinois e o ex-aluno de Illinois Eduardo Berrios do Chile simularam reações em duas dimensões que, se extrapolado para três, pode apenas produzir energia de forma eficiente a partir de deutério e trítio ou outros elementos.

Seu artigo aparece na edição festschrift de Cartas Físicas Químicas dedicado a Ahmed Zewail, Conselheiro de pós-doutorado de Gruebele e Prêmio Nobel por seu trabalho em femtoquímica, em que flashes de laser de femtossegundo desencadeiam reações químicas.

A técnica femtoquímica é fundamental para a nova ideia de que os núcleos podem ser empurrados perto o suficiente para superar a barreira de Coulomb que força os átomos de carga semelhante a se repelirem. Quando isso for realizado, os átomos podem se fundir e liberar calor por meio do espalhamento de nêutrons. Quando mais energia é criada do que o necessário para sustentar a reação, a fusão sustentada torna-se viável.

O truque é fazer tudo isso de forma controlada, e os cientistas vêm perseguindo esse truque há décadas, principalmente por conter plasmas de hidrogênio em temperaturas semelhantes às do sol (no Departamento de Energia dos Estados Unidos da Unidade Nacional de Ignição e no esforço do Reator Termonuclear Experimental Internacional na França) e em grandes instalações.

O novo artigo descreve uma simulação básica de prova de princípio que mostra como, em duas dimensões, um pulso de laser em forma empurraria uma molécula de deutério e trítio, seus núcleos já estão posicionados a uma distância internuclear muito menor do que em um plasma, quase perto o suficiente para se fundir. “O que os impede de se unirem é a carga positiva dos núcleos, e ambos os núcleos têm a menor carga, 1, "Wolynes disse.

Ele disse que as simulações 2-D são necessárias para manter os cálculos iterativos práticos, mesmo que isso exigisse a remoção de elétrons das moléculas do modelo. "A melhor maneira de fazer isso seria deixar os elétrons ligados para ajudar no processo e controlar seus movimentos, mas esse é um problema de dimensão superior que nós - ou alguém - vamos enfrentar no futuro, "Wolynes disse.

Sem os elétrons, ainda era possível trazer núcleos dentro de uma pequena fração de um angstrom, simulando os efeitos do 5-femtossegundo, pulsos de laser infravermelho próximo, que mantinha os núcleos juntos em uma molécula "ligada ao campo".

"Por décadas, pesquisadores também investigaram a fusão catalisada por múon, onde o elétron na molécula de deutério / trítio é substituído por um múon, "Gruebele disse." Pense nisso como um elétron 208 vezes mais pesado. Como resultado, a distância da ligação molecular diminui por um fator de 200, posicionando os núcleos ainda melhor para a fusão.

"Tristemente, múons não vivem para sempre, e o aumento da eficiência de fusão fica aquém do equilíbrio na produção de energia, "disse ele." Mas quando os pulsos de laser ultravioleta a vácuo em forma se tornam tão disponíveis quanto os infravermelhos próximos que simulamos aqui, o controle quântico da fusão muônica pode ultrapassá-lo. "

Como o modelo funciona no nível quântico - onde as partículas subatômicas estão sujeitas a regras diferentes e têm as características tanto das partículas quanto das ondas - o princípio da incerteza de Heisenberg entra em ação. Isso torna impossível saber a localização precisa das partículas e torna o ajuste dos lasers um desafio, Wolynes disse.

"É claro que o tipo de pulso de que você precisa deve ser altamente esculpido e ter muitas frequências neles, "disse ele." Provavelmente será necessário fazer experiências para descobrir qual deve ser a melhor forma de pulso, mas o trítio é radioativo, então ninguém quer colocar trítio em seu aparelho até ter certeza de que vai funcionar. "

Wolynes disse que ele e Gruebele, cujo laboratório estuda o dobramento de proteínas, dinâmica celular, microscopia de nanoestrutura, comportamento de natação dos peixes e outros tópicos, pensei sobre as possibilidades por cerca de uma década, embora a fusão nuclear seja mais um hobby do que uma profissão para ambos. "Finalmente tivemos a coragem de dizer, 'Nós vamos, vale a pena dizer algo sobre isso. '

"Não estamos começando uma empresa ... ainda, "disse ele." Mas pode haver ângulos aqui que outras pessoas podem pensar que levariam a algo prático, mesmo a curto prazo, como a produção de pulsos de partículas alfa curtos que podem ser úteis em aplicações de pesquisa.

"Eu estaria mentindo se dissesse isso quando começamos o cálculo, Eu não esperava que pudesse apenas resolver os problemas de energia da humanidade, "Wolynes disse." Neste ponto, isso não acontece. Por outro lado, Acho que é uma questão interessante que nos inicia em um novo caminho. "