Três bilhões e meio de graus e todo mundo está pouco se lixando...

Três bilhões e meio de graus e a ninguém importa...

3,7 bilhões de graus e a ninguém importa

2 de julho de 2006

No dia 19 de junho passado, um leitor publicou no fórum Agoravox um artigo intitulado:

2 bilhões de graus. A humanidade descobre o fogo absoluto e a ninguém importa!

Um artigo que suscitou mais de 300 reações. Como um leitor havia me sinalizado a existência desse fórum, participei dele. O leitor interessado no que foi dito ali poderá encontrar isso no arquivo:

http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680

Estou diante da minha página em branco e procuro o que escrever, que tom adotar, em que nível me situar. É verdade que, diante de uma situação como essa, sente-se um pouco ultrapassado pelos eventos, ou mais exatamente pelos... não-eventos, no caso.

Antes de retomar este assunto, para aqueles que acompanharam o que pude dizer ou escrever no meu site a respeito da "máquina Z" e dessa descoberta, direi que tive a visita de um jornalista por volta de 25 de junho. Ele partiu dizendo que submeteria um artigo ao seu editor-chefe. A reação foi imediata e simples:

- Não vi isso na AFP ou na agência TASS, nem em nenhuma agência de notícias.

É verdade. No entanto, passaram-se três meses desde a difusão dessa notícia sem que a imprensa, em todos os países, e as agências de notícias tenham reagido. É... estarrecedor e... isso também assusta.

Vou, portanto, retomar o fio dessa história desde o início, para os leitores que chegarem agora.

Tudo começou em 9 de março de 2006 com uma notícia apresentada no site Futura-Science

http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php

Na verdade, esse artigo partia de um anúncio muito oficial emanado do site dos Laboratórios Sandia, situados no Novo México, EUA. Para quem não sabe, Sandia é um vasto complexo de laboratórios que trabalha em grande parte em projetos de armas de todos os tipos. Para situar as ideias, dois laboratórios nos EUA estão, há décadas, sistematicamente em competição para a concepção de armas nucleares (e outras):

Sandia
Los Alamos (foi lá que foi concebida a primeira bomba atômica, na "mesa")

O site de Los Alamos, Novo México, Estados Unidos, onde foi concebida a primeira bomba atômica

Sempre retomando o fio da história e recuando no tempo, encontra-se este anúncio dos laboratórios Sandia, datado de 8 de março de 2006:

http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html

Eis o anúncio em questão:

"Two billions degrees Kelvin", em inglês, significa "dois bilhões de graus absolutos"

Na verdade, esse anúncio segue de perto a publicação de um artigo sensacional assinado por Malcolm Haines (Imperial College, Londres), especialista internacionalmente conhecido em física de plasmas, por Deeney (responsável pelas manipulações na máquina Z de Sandia) e por quatro outros pesquisadores, publicado na revista de alto nível Physical Review Letters em 24 de fevereiro de 2006. Os dois links citados acima referem-se apenas a anúncios midiáticos. O documento-chave é o artigo citado. Dada a sua importância, após comprá-lo, coloquei-o disponível para download no meu site.

O artigo de Malcolm Haines, Deeney e outros, em PDF

Eis a sua primeira página:

"Over 2 x 109 Kelvin" significa "acima de dois bilhões de graus Kelvin"

Note-se a data da primeira submissão do artigo, 13 de maio de 2005. Este trabalho refere-se, portanto, a resultados experimentais anteriores a essa data.

É isso, na verdade, o documento interessante e eu o passei a pente fino. Fiz essa análise para cientistas (e jornalistas científicos) e a fiz preceder de um resumo vulgarizado. O leitor científico ou "orientado para a ciência" poderá consultar essa análise. Mas esta página, este dossiê, destina-se ao público mais amplo. Que aqueles que não são cientistas ou "orientados para a ciência" saltem este link.

Minha análise do artigo de Haines e Deeney, 24 de fevereiro de 2006

Antes de voltar a generalidades sobre a fusão (geradora de nêutrons e "a-neutrônica"), sobre a fusão em um tokamak como o ITER ou por "confinamento inercial", etc., tema deste dossiê, que tentarei tornar o mais didático possível, algumas palavras sobre o que é essencial no artigo mencionado.

Desde 1998, experiências de compressão de um plasma foram realizadas em Sandia (e em diferentes outros países, nucleares: Rússia, China, Inglaterra, França, mas não com meios tão grandes). O objetivo era, comprimindo a matéria com forças eletromagnéticas (isto será retomado mais adiante), aquecê-la e fazer com que emitisse raios X. A máquina Z e todas as máquinas desse tipo não foram concebidas inicialmente para visar a fusão. Eram simplesmente potentes fontes de raios X, de uso 100% militar, sendo o objetivo testar a resistência das ogivas ao forte fluxo de raios X, provenientes de uma bomba atômica explodindo no vácuo espacial, bomba que é o elemento-chave das armas antimísseis cujo objetivo é destruir, por essa forte irradiação, os delicados sistemas de guiamento e ignição das bombas. Desde 1998, as experiências realizadas em Sandia mostravam que a temperatura dos íons deveria ser anormalmente elevada. Mas não a medíamos. O que medíamos, a partir da emissão de raios X, era a temperatura eletrônica. A temperatura dos íons era deduzida. Veremos mais adiante como. Coisa estranha, essas experiências conduziam a temperaturas iônicas que deveriam ser superiores, e muito, à temperatura eletrônica (cem vezes!). Sistemas "bi-temperatura" você tem... na sua cozinha. São os... tubos de néon. Os íons de néon (átomos de néon que perderam elétrons) estão frios, à temperatura ordinária. Você pode colocar a mão no tubo sem se queimar. Por outro lado, os elétrons estão a milhares de graus (voltaremos a isso mais adiante). Nas experiências de Sandia, as coisas só podiam ser explicadas se o "gás de íons" estivesse muito mais quente que o gás de elétrons.
Em 2005, os pesquisadores que trabalhavam na máquina Z puderam efetuar medidas diretas dessa temperatura dos íons, que são descritas no artigo de Haines, Deeney e outros. Elas confirmaram o que se calculava anteriormente. Essa temperatura, como o título indica, é "acima de 2 bilhões de graus Kelvin". Mas, se mergulharmos no artigo (e na análise que fiz dele, em dois níveis), vemos que essa temperatura cresce durante as medições e passa, de fato, de 2,66 bilhões de graus para 3,77 bilhões de graus. Essas medidas são 100% confiáveis (a medida de temperatura pela medida do alargamento das linhas pelo efeito Doppler é um clássico da física e da astrofísica, em particular. O artefato deve ser excluído).
Subsidiariamente, Haines e seus colegas (ele é teórico) interrogam-se sobre o mecanismo que asseguraria um tal aquecimento dos íons. Ele invoca instabilidades MHD. Retomaremos tudo isso mais adiante também.

O conteúdo dos debates mostrou que, para a grande maioria dos leitores e participantes, a fusão resumia-se à do mistura dos dois isótopos do hidrogênio

Deutério + Trítio dando um Hélio mais um nêutron representando uma energia de 14 Mev (megaelétron-volts)

Veja, por exemplo, o dossiê da Wikipedia:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

Neste, não se encontrará senão uma única ilustração de esquema de fusão:

Esquema de fusão dos dois isótopos do hidrogênio, o deutério e o trítio, a cem milhões de graus

Vê-se que é o nêutron que leva mais energia: quatro vezes mais que o núcleo de hélio produzido.

Os leitores terão agora que gravar na cabeça outros esquemas de fusão.

A partir de 500 milhões de graus, a do lítio e do hidrogênio (leve):

Fusão "a-neutrônica" Lítio - Hidrogênio

A partir de um bilhão de graus, a do boro e do hidrogênio (leve):

Fusão "a-neutrônica" Boro - Hidrogênio

A-neutrônica porque não há nêutrons. São esses nêutrons, emitidos a uma velocidade relativística, que fazem com que os tokamaks (o ITER é um tokamak) façam com que essa fusão gere radioatividade "ativando" as estruturas circundantes. Esses nêutrons, além disso, não podem ser detidos por "confinamento magnético". Nada os detém, exceto obstáculos físicos. Como destacava o Prêmio Nobel de Gennes, eles se revelarão extremamente agressivos em relação à estrutura do ímã supercondutor que assegura o confinamento, que custa uma fortuna e não poderia ser substituído periodicamente.

A energia é veiculada simplesmente pelos núcleos de hélio, o simples hélio. Onde está a radioatividade? Não há. Onde estão os "resíduos nucleares"? Resposta: o hélio. Você poderia morar ao lado de uma central de fusão a-neutrônica. Ou ela rejeitaria seu hélio por chaminés, caso em que o gás subiria. É leve, o hélio. Ou o recuperaríamos para encher balões, barato. Por enquanto, o hélio é caro. Ali poderíamos imaginar veículos na forma de balões cheios de hélio, propulsionados por energia solar, por exemplo. A menos que essas aeronaves, ou esses veículos, funcionem com geradores elétricos de fusão a-neutrônica, miniaturizados.

É preciso agora responder às perguntas que os leitores se fazem, legitimamente. A temperatura, o que é?

Vamos definir a temperatura absoluta T de um gás. Preciso que é a sua definição. Um gás é um conjunto de partículas tendo uma massa m. Partículas que estão agitadas em todos os sentidos. Chamamos esse movimento de agitação térmica. O ar que você respira é constituído de moléculas que, em média, vagueiam a 400 metros por segundo. É um valor médio. Há mais rápidas e mais lentas, mas não se comete um grande erro imaginando-as todas circulando à mesma velocidade. Por que essas moléculas de ar não lhe rasgam os alvéolos? Porque são objetos de massa muito fraca. Uma molécula de ar à velocidade máxima não faria mal a uma mosca. Pronto, você sente?

Em um tokamak, a temperatura absoluta é de 100 milhões de graus. Os núcleos de hidrogênio deslocam-se a quase mil quilômetros por segundo. Trata-se da sua velocidade de agitação térmica. Para físicos aprendizes, ver quadro ao lado:

Todos físicos

Definição da temperatura absoluta em um gás:

k é uma constante que se chama constante de Boltzmann e que vale

k = 1,38 10

Vamos fazer alta física. A massa de um átomo de hidrogênio, de um próton, é de:

m = 1,67 10

quilo

Entremos em um tokamak. Temperatura (enquanto funciona): 100 milhões de graus absolutos. Conteúdo

Deutério. Massa do núcleo: 3,34 10

quilo

Trítio. Massa do núcleo: 5 10

quilo

Metade-metade. Massa média dos núcleos. 4,17 10

quilo

Com uma temperatura absoluta de cem milhões de graus Kelvin, a velocidade média de agitação térmica desses núcleos é:

Uma fração, potências de dez, uma raiz quadrada. Você já tem mais da metade da física ao alcance dos seus neurônios. Agora, o que se encontra em um tokamak é uma mistura de núcleos dotados de uma carga positiva e elétrons, dotados de uma carga negativa. O meio é colisional. Isso significa que os íons, os elétrons trocam muita energia entre si. Poder-se-á dizer que o conteúdo do tokamak é uma mistura de dois gases:

O gás de íons, de núcleos de hidrogênio pesado tendo uma massa média de 4,17 10

quilo

O "gás de elétrons", constituído de partículas cuja massa é de 0,9 10-30 quilo

As colisões tendem a estabelecer um estado de equilíbrio termodinâmico. Isso significa que, se o meio é uma mistura de espécies diferentes, todas estão à mesma temperatura. Elas têm a mesma temperatura absoluta: aqui cem milhões de graus. Mas o que é a temperatura eletrônica, a temperatura do "gás de elétrons"? Define-se da mesma forma.

A constante de Boltzmann não muda. Se os dois gases que "coabitam" estão em estado de "equilíbrio termodinâmico", então as temperaturas são iguais, o que significa que as energias cinéticas médias (de agitação térmica) são iguais.

Como os elétrons são mais leves, são mais rápidos, mas ainda não somos relativísticos, longe disso.

Todos físicos

efinição da temperatura absoluta em um gás:

k é uma constante que se chama constante de Boltzmann e que vale

k = 1,38 10

-23

ós vamos fazer alta física. A massa de um átomo de hidrogênio, de um próton, é de:

m = 1,67 10

-27

quilo

Entremos em um tokamak. Temperatura (enquanto funciona): 100 milhões de graus absolutos. Conteúdo

Deutério. Massa do núcleo: 3,34 10

-27

quilo

Trítio. Massa do núcleo: 5 10

-27

quilo

Metade-metade. Massa média dos núcleos. 4,17 10

-27

quilo

Com uma temperatura absoluta de cem milhões de graus Kelvin, a velocidade média de agitação térmica desses núcleos é:

O gás de íons, de núcleos de hidrogênio pesado tendo uma massa média de 4,17 10

-27

quilo

O "gás de elétrons", constituído de partículas cuja massa é de 0,9 10-30 quilo

Como os elétrons são mais leves, são mais rápidos, mas ainda não somos relativísticos, longe disso.

Elevar um meio gasoso a alta temperatura é aumentar a velocidade de agitação térmica dos íons. Em um plasma de lítio a 500.000°K, a velocidade de agitação térmica dos núcleos de lítio é de 1.330 km/s. Em um plasma de boro a um bilhão de graus, é de 1.516 km/s

Detalhe do cálculo no quadro:

Do lítio a 500.000°K

empérature absoluta em um gás:

k é uma constante que se chama constante de Boltzmann e que vale

k = 1,38 10

elocidade de agitação térmica em um gás a uma temperatura absoluta T:

Massa de um núcleo de lítio: 7 vezes a massa do núcleon (próton e nêutron), ou seja:

1,67 10

quilo = 1,17 10

quilo

O que nos dá uma velocidade de agitação térmica de:

1.330 km/s

Do boro a um bilhão de °K

elocidade de agitação térmica em um gás a uma temperatura absoluta T:

Massa de um núcleo de lítio: 11 vezes a massa do núcleon (próton e nêutron), ou seja:

1,67 10

quilo = 1,83 10

quilo

O que nos dá uma velocidade de agitação térmica de:

1.516 km/s

Você não acha que se vê um pouco mais claro?

Do lítio a 500.000°K

emperatura absoluta em um gás:

k é uma constante que se chama constante de Boltzmann e que vale

k = 1,38 10

-23

elocidade de agitação térmica em um gás a uma temperatura absoluta T:

Massa de um núcleo de lítio: 7 vezes a massa do núcleon (próton e nêutron), ou seja:

1,67 10

-27

quilo = 1,17 10

-26

quilo

O que nos dá uma velocidade de agitação térmica de:

1.330 km/s

Do boro a um bilhão de °K

elocidade de agitação térmica em um gás a uma temperatura absoluta T:

Massa de um núcleo de lítio: 11 vezes a massa do núcleon (próton e nêutron), ou seja:

1,67 10

-27

quilo = 1,83 10

-26

quilo

O que nos dá uma velocidade de agitação térmica de:

1.516 km/s

Você não acha que se vê um pouco mais claro?

Mas como criar essas velocidades de agitação térmica? Bem, se eu me virasse para fazer implosionar um plasma e que a velocidade de implosão atingisse esses valores, essa energia cinética se transformaria em velocidade de agitação térmica. É muito simples. É preciso que a energia se conserve. Isso acontecerá se não houver perdas radiativas excessivas durante o processo.

Os átomos vão colidir. As colisões redistribuirão essa energia cinética em todas as direções. De qualquer forma, um processo de implosão vai aquecer o meio. Mas essa temperatura se manterá tempo suficiente para que a fusão ocorra?

O que significa "tempo suficiente"?

Boa pergunta. E isso nos leva a refletir sobre as condições nas quais se podem criar reações de fusão. Vamos, portanto, falar do critério de Lawson. É uma palavra muito grande para designar algo que é, afinal, bastante simples e intuitivo. Diz-se que não se faz omelete sem quebrar ovos. Imagine que você queira quebrar ovos de massa m (não sei quanto pesa um ovo, mas pouco importa). Imaginemos, portanto, que temos uma câmara onde ovos rolam e colidem entre si. Para que um choque entre dois desses ovos possa provocar uma ruptura, é preciso:

Que esses ovos se choquem efetivamente
Que sua velocidade relativa seja suficiente para provocar a quebra das cascas.

Seja M a massa dos ovos. Alguém talvez faça a experiência (interessante, aliás) para determinar qual deve ser a velocidade de dois ovos que entram em colisão para que se tenha um início de omelete. Chamemos essa velocidade de V. Se essa velocidade for uma velocidade de agitação dos ovos, poderemos assimilá-la a uma velocidade de agitação térmica. Se a velocidade não for suficiente, a casca resistirá mesmo a um choque frontal. Ora, quem diz velocidade de agitação térmica diz temperatura. Substitua os ovos por núcleos e a quebra da casca por uma reação de fusão. Haverá fusão se a temperatura do meio ultrapassar um certo limiar. Para uma mistura deutério-trítio, essa temperatura mínima é de 100 milhões de graus. Na verdade, para que haja fusão do deutério e do trítio, é preciso que esses núcleos possam se aproximar o suficiente para que "a reação de fusão" ocorra. O que os impede de se aproximar é o fato de, tendo ambos cargas positivas, eles se repelirem sob o efeito da força eletrostática.

Vimos acima que essa velocidade de agitação térmica, portanto de colisão, associada a uma temperatura de núcleos de hidrogênio de 100 milhões de graus era de quase 1000 km/s. Para fundir lítio e hidrogênio, é preciso fazer aproximar um próton portador de uma carga elétrica e um núcleo de lítio que tem três. O trabalho a fornecer é maior. Teremos, portanto, uma temperatura de fusão mais elevada: 500 milhões de graus. E isso será a fortiori o caso com um núcleo de boro (5 cargas unitárias) e um próton (núcleo de hidrogênio ordinário). Acontece que essa temperatura é então de um bilhão de graus.

Essas temperaturas de fusão: 100 milhões de graus, 500 milhões, um bilhão podem parecer surreais, mas as coisas parecem mais tangíveis se raciocinarmos em termos de velocidades de agitação térmica:

1000 km/s 1300 km/s 1500 km/s

O fato de os componentes atingirem essas velocidades de agitação é uma condição necessária mas não suficiente.

As velocidades de agitação são uma

Três bilhões e meio de graus e todo mundo está pouco se lixando...

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

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