Vôo sem Veneno - Tecnologia

VÔO SEM VENENOS - Tecnologia

Novos ventos sopram do leste: ar puro. O hidrogênio, um gás que não polui, é o combustível do Tu-155, o avião experimental soviético que promete uma revolução.

Cada vez que alguém pergunta ao engenheiro soviético Aleksandr Tupolev por que escolheu o hidrogênio como combustível para seu novo avião de passageiros - o Tu-155 - ele responde com toda simplicidade: "Porque o produto de sua combustão é água". Ele explica, então, que a queima do querosene normalmente utilizado pela aviação polui o ar com substâncias como o gás carbônico (CO2), que contribui para o famoso efeito estufa, a retenção de calor na atmosfera terrestre. De fato, uma das características mais atraentes do hidrogênio como combustível é que ele não polui - exatamente porque o resto de sua queima é água e não um rastro de fumaça tóxica. Por isso nada mudou nos céus de Moscou no dia 15 de abril de 1988, quando o Tu-155 fez um vôo experimental de 21 minutos, o primeiro de uma bem-sucedida série.

Sua vantagem não é apenas a ausência de poluição: além de pesar um terço a menos do que o querosene, o hidrogênio é mais eficiente em motores a explosão, pois contém em seus átomos de três a quatro vezes mais energia explosiva do que qualquer outro elemento químico. Há dez anos, essas qualidades levaram a revista americana Aviation Week a prever: "Quando o hidrogênio, embora obtido por processos pouco econômicos, se tornar viável em função da escassez de petróleo, teremos o avião a hidrogênio liquefeito. Ele será 26 por cento mais leve e 30 por cento mais barato, devendo os seus propulsores serem muito mais seguros e terem uma capacidade de carga e autonomia iguais aos atuais".

O problema é que não é nada fácil lidar com o hidrogênio, como bem sabem os técnicos  do Centro de Projetos Aeronáuticos que, por sinal, leva o nome do pai do engenheiro Aleksandr, o célebre projetista Andrei Nikolaievich Tupolev (1888-1972), criador da ampla família de jatos Tu. Para o desenvolvimento de uma aeronave capaz de aproveitar a enorme energia do hidrogênio, muitos desafios tecnológicos tiveram de ser vencidos ao longo de dez anos de intensas pesquisas. Em primeiro lugar, as restrições de peso e volume nos aviões obrigam ao armazenamento do gás em estado líquido e em permanente ebulição. 

Isso significa uma temperatura de 253 graus negativos no interior dos tanques, que obviamente devem ter total isolamento térmico e ser pressurizados por um sistema que lhes assegure níveis superiores aos dos valores atmosféricos normais, principalmente quando o avião alcança grandes altitudes, onde a pressão do ar é menor. Nos aparelhos modernos, os tanques de combustível situam--se nas asas, mas esses tanques especiais, cujo volume total é quatro vezes maior, só podem ser alojados no interior do avião, aumentando o risco de explosões fatais. Para entender os problemas de segurança numa aeronave desse tipo, basta simular um acidente como o vazamento de combustível.

No sistema convencional, o que escapa é querosene, que depende de uma faísca muito grande para inflamar-se. Já no sistema de combustão de hidrogênio, qualquer problema de despressurização pode liberar gases que ocupariam instantaneamente todo o interior do avião, misturando-se com o ar e inflamando-se com facilidade: nesse caso, seria suficiente a energia de uma faísca quase dez vezes inferior à que incendeia os combustíveis hidrocarbonados (querosene). "Nossos problemas estavam entre o gelo e o fogo", lembra Aleksandr, referindo-se à necessidade de manter baixas temperaturas nos tanques e ao mesmo tempo evitar vazamentos que pudessem provocar explosões.

Antes de tudo, era preciso isolar perfeitamente os sistemas envolvidos com o hidrogênio. Assim, o protótipo experimental, um avião comercial Tu-154B adaptado, cedeu grande parte da área em geral destinada aos passageiros a um compartimento hermético, onde foram instalados tanques de duplo revestimento com capacidade para vôos de uma hora e meia de duração, no máximo. Os técnicos reconhecem que é pouco tempo de vôo e pouco espaço para passageiros, mas argumentam que a grande capacidade energética do hidrogênio permite armazenar um volume três vezes inferior ao do combustível convencional para o mesmo consumo, aumentando desse modo a capacidade de "carga viva" do avião.

No compartimento de combustível, detectores de fumaça e sensores controlam automaticamente os sistemas de ventilação, equipados com tanques de azoto (nitrogênio), elemento químico que em caso de fogo rapidamente substitui o oxigênio do ar e extingue as chamas.

O propulsor NK-88, desenvolvido pelo engenheiro Nikolai Kusnetsov, funciona com hidrogênio gasoso e também com gás natural liquefeito. Entre os tanques e o propulsor, portanto, o combustível passa do estado líquido para o gasoso, ao percorrer tubos revestidos a vácuo, que se enchem de hélio cada vez que o propulsor está inativo. Esse tampão de hélio previne o contato do ar à temperatura ambiente com o gélido hidrogênio líquido, substituindo-o em caso de vazamento e diminuindo os riscos, por não ser inflamável. Todos os outros sistemas do avião foram instalados à margem do compartimento do motor. Além disso, os feixes de cabos elétricos e os condutos hidráulicos foram devidamente isolados com materiais que evitam faíscas e são constantemente ventilados em vôo pela corrente de ar resultante do próprio deslocamento do aparelho. Além de criar o avião a hidrogênio, foi preciso projetar e construir as instalações de abastecimento em terra. Pois também quando a aeronave está no solo todo cuidado é pouco. Um dos maiores perigos é a possibilidade de uma pequena porção de ar ficar no tanque do avião supostamente vazio depois do vôo. Submetido às temperaturas abaixo de zero do tanque, esta bolha se solidifica, podendo, se alcançar o propulsor, formar uma mistura explosiva com o hidrogênio em ebulição.

O enorme risco de acidentes levou a equipe de projetistas a submeter o avião às mais duras provas. "Quanto mais difíceis os exercícios, mais fácil a batalha", resume Aleksandr, citando um dito militar russo. Mas as barreiras científicas e também psicológicas que mantinham o projeto imobilizado nas pranchetas de alguns poucos engenheiros sonhadores só foram definitivamente superadas com os vôos experimentais do Tu-155. Tanto que a imprensa soviética já anunciou o desenvolvimento de um novo jato comercial, o Tu-204, que, embora programado para funcionar inicialmente a querosene, poderá utilizar também o hidrogênio.

A barreira dos custos

Por que, sendo tão energético e não poluente, o hidrogênio ainda não se tornou o combustível mais usado pelo homem? "As barreiras são mais econômicas do que tecnológicas", responde Ennio Peres da Silva, diretor do Laboratório de Hidrogênio da Universidade de Campinas (Unicamp). É caro produzir o hidrogênio, que ou é extraído do petróleo, ou é obtido da decomposição elétrica da água. Além disso, o processo de liquefação do gás é mais complicado do que no caso de outros elementos: o hidrogênio precisa ser esfriado a 180 graus negativos para só então ser liquefeito, o que ocorre a 253 graus negativos (apenas 20 graus acima da menor temperatura possível de ser obtida). Para Ennio esse raciocínio tanto vale para o Tu-155 quanto para o carro movido a gás de cozinha - ambos seguros e viáveis tecnologicamente, mas impraticáveis em termos econômicos.

"Tudo o que os soviéticos fizeram no avião, a rigor, foi construir uma garrafa térmica perfeita", compara ele. Na verdade, as dificuldades tecnológicas também existem. Mesmo os mais herméticos tanques de hidrogênio criados pela indústria espacial costumam perder 0,5 por cento de combustível ao dia pela simples evaporação. De qualquer forma, a solução de problemas desse tipo está ao alcance dos técnicos - há bastante tempo. Segundo Ennio, desde 1980, por sinal, o Laboratório da Unicamp tem um projeto de carro a hidrogênio. A idéia no entanto, não encontrou interessados em financiá-la nem no Brasil nem no exterior.

Extraído dos artigos "O Tu voa a hidrogênio", de Kolessova, e "Uma opção para manter o céu limpo", de Aleksandr Tupolev, publicados na revista soviética Ciência e vida.

A Promessa da Fusão - Tecnologia

A PROMESSA DE FUSÃO - Tecnologia

A mesma energia que faz o Sol brilhar pode ser a força sem-fim com que sonha o homem. Para domesticá-la, os cientistas inventaram máquinas milionárias. Mas os resultados vão demorar.

Nos laboratórios do Instituto de Física Max Planck, em Garching, perto de Munique, no sul da Alemanha, sessenta cientistas americanos, japoneses, soviéticos e de outros países europeus trabalham há um ano num raro projeto sem fronteiras destinado a retirar energia limpa e barata do átomo - uma fantasia que o homem abriga desde que começou a manipulá-lo há meio século. Trata-se do desenho do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), ou Reator Experimental Termonuclear Internacional, uma supermáquina cujo valor deve alcançar alguns bilhões de dólares. Não é para menos: o equipamento deve ser capaz de controlar as reações nucleares de fusão - as mesmas que mantêm acesas as estrelas - o tempo suficiente para que a energia resultante possa mover uma turbina ou fazer andar um automóvel melhor que a eletricidade ou os combustíveis fósseis de hoje.

Os cientistas do ITER devem ter tomado um susto do tamanho do seu projeto ao saber, há poucos meses, que nos Estados Unidos uma dupla de químicos chegou ao santo graal da fusão, segundo anunciaram, com uma experiência tipo fundo de quintal, ao alcance de qualquer estudante do ramo. Logo se viu, porém, que não era bem isso - ou nada disso, na pior das hipóteses. A fulgurante ascensão e queda da fusão a frio, como ficou conhecida a alegada proeza, mostra que o trabalho em curso na Alemanha, embora portentoso, é apenas um passo no complexo, caro, demorado e incerto plano de dominar a energia virtualmente ilimitada que ocorre na fusão. 

Quando o projeto do ITER ficar pronto, em 1991, os países que dele participam poderão enfim começar a construir um reator de potência equivalente ao dobro da usina nuclear de Angra 1, ou 1200 megawatts. Naturalmente, o reator será apenas um protótipo para a continuação das pesquisas. Pois, até que se desenvolvam aparelhos comerciais de fusão, uma infinidade de problemas técnicos terá de ser resolvida. Até onde é possível prever essas coisas, a idéia não é utópica. No entanto, mesmo os cálculos mais otimistas jogam só para depois do ano 2050 a substituição dos atuais combustíveis pela energia de fusão, também chamada termonuclear.

O que no fim da Segunda Guerra Mundial parecia relativamente fácil de ser obtido aos cientistas excitados com o recém-conquistado domínio do átomo, com o passar do tempo demonstrou ser um desafio quase intransponível. O homem havia aprendido a produzir energia a partir da quebra ou fissão dos átomos, um processo que deu origem às bombas atômicas e às usinas nucleares para o fornecimento de eletricidade.

Nos reatores de fissão, os átomos de urânio são despedaçados, liberando grandes quantidades de energia - é a temível radioatividade. A fusão de hidrogênio, ou de suas variantes deutério e trítio, produz calor e pouquíssima radioatividade, mas exige gigantescas injeções de energia para alimentar um processo contínuo. Por isso, todas as tentativas de realizá-la em laboratório gastaram bem mais energia do que a obtida com a experiência. Ou seja, não teria sentido usar o processo na vida real.

A fusão acontece quando dois núcleos de átomos leves se juntam para formar um terceiro mais pesado, mas cuja massa é menor do que a soma dos elementos originais. A diferença corresponde à energia liberada. No Sol, por exemplo, se fundem inimagináveis 564 milhões de toneladas de hidrogênio por segundo, dando origem a 560 milhões de toneladas de hélio, numa temperatura de 20 milhões de graus e sob uma pressão 100 bilhões de vezes maior do que a pressão atmosférica. Nessa colossal fornalha, os 4 milhões de toneladas de hidrogênio que não viraram hélio viraram energia - graças à qual o homem existe e tenta reproduzir o processo. "Estamos na posição de Prometeu", compara o físico alemão Max Schluter, do Instituto Max Planck, referindo-se ao herói da mitologia grega que roubou o fogo dos deuses para dá-los aos homens. "Como Prometeu, queremos imitar o fogo do Sol aqui na Terra. "

Para fazer isso, os cientistas pensaram construir uma espécie de forno com as mesmas características das estrelas. Normalmente, os núcleos dos átomos se repelem porque têm carga elétrica do mesmo sinal. Para que a fusão possa ocorrer, é preciso aproximar os núcleos a distâncias tão ínfimas, a tal ponto que as forças de atração superem as de repulsão. Descobriu-se que os candidatos naturais para esse casamento são os isótopos (ou variedades) de hidrogênio, como o deutério (com um próton e um nêutron no núcleo). Usando a força bruta, ou seja, aquecendo as partículas de matéria a milhões de graus e em altas densidades, os pesquisadores fazem com que tais isótopos se transformem numa mistura de elétrons livres e núcleos de átomos. É o plasma, nem líquido, nem sólido, nem gás: o quarto estado da matéria.

Nesse estado meio fantasmagórico, as partículas colidem umas com as outras em velocidades altíssimas até que, em razão dos choques, acabam por unir-se, produzindo núcleos mais pesados, algumas partículas soltas - e, o mais importante, grandes quantidades de energia. Assim, pode resultar da colisão hélio 3 (formado por dois prótons e um nêutron) mais um nêutron excedente; ou trítio ( um próton e dois nêutrons), mais um próton excedente. É raro, mas também pode acontecer que a fusão produza hélio 4 (dois prótons e dois nêutrons) e mais energia .

Em 1945, o físico húngaro naturalizado americano Edward Teller sugeriu que se usasse a bomba atômica recém-inventada como espoleta para desencadear a fusão nuclear, pois a força de sua explosão forneceria as temperaturas e pressões necessárias.

A idéia seria posta em prática alguns anos depois. No dia 1 de novembro de 1952, de fato, os americanos detonaram a primeira bomba de hidrogênio, a bomba H, numa ilha do oceano Pacífico. Provou-se assim que a fusão na Terra era possível, mas, para que ela tivesse outra finalidade que não acabar com a vida na Terra, teria de ser controlada.

No entanto, para a construção de qualquer reator que produzisse energia pela fusão de hidrogênio, as condições pareciam proibitivas: seria preciso investir inicialmente uma quantidade de energia seis vezes superior à temperatura do interior do Sol, para compensar a diferença de pressão. Em cada centímetro cúbico desse reator deveriam existir no mínimo 100 trilhões de partículas que, devido ao calor, estariam sob forte pressão. A energia contida nesse gás teria de se manter durante pelo menos um segundo. A única facilidade seria o combustível. Afinal, em cada metro cúbico de água do mar há 33 gramas de deutério, o primo pesado do hidrogênio. Mas qualquer material que entrasse em contato com o plasma, à temperatura de centenas de milhões de graus, acabaria derretido. Por isso se pensou usar como recipiente uma estranha gaiola magnética que impedisse o gás de se aproximar da parede metálica do reator. Na prática, isso equivaleria a "prender um pudim trêmulo com elástico", como disse certa vez o físico Edward Teller. E, de fato, no começo, as gaiolas magnéticas vazavam gás por todos os lados.

No final da década de 50 começou uma corrida pela melhor técnica de aprisionamento do plasma. As primeiras máquinas para esse fim, inventadas nos Estados Unidos, eram tubos em formato de rosquinha chamados jocosamente perhapstron (equipamento do talvez) e, pelos mais céticos, impossibletron (equipamento do impossível). Em seguida surgiu o stellarator, um tipo de reator em que o plasma é mantido num forno com a aparência de um anel, rodeado de bobinas magnéticas feitas de grossos fios condutores. Na União Soviética, os físicos Andrei Sakharov, Prêmio Nobel da Paz de 1975, e Igor Tamm (1895-1971), Prêmio Nobel de Física de 1958, aperfeiçoaram a idéia e ajudaram a criar o hoje célebre tokamak, cujo nome é formado pelas primeiras sílabas das palavras russas correspondentes à câmara toroidal de bobinas magnéticas. Para o físico Ivan da Cunha Nascimento, da Universidade de São Paulo, considerado um dos raros especialistas brasileiros em fusão, "os tokamaks são a maior esperança de se conseguir ganho de energia com a fusão". 

Trata-se de um aparelho formado por tubo metálico fechado na forma de uma câmara de pneu - ou toróide, em linguagem científica. À sua volta existe um enrolamento. Percorrido por uma corrente elétrica, nele surge um poderoso campo magnético que envolve o plasma como as cascas de uma cebola. Existe também outro campo magnético vertical para colocar o plasma mais corretamente. Nos aparelhos experimentais, como o que existe na Universidade de São Paulo, conseguiu-se temperaturas de até 5 milhões de graus. O recorde mundial de temperatura obtido até agora são os 200 milhões de graus do tokamak da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. Nesse aparelho de 2,5 metros de raio (oito vezes maior que o da USP), apesar dos bons resultados ainda não se conseguiu produzir energia igual à consumida na experiência. O maior e mais bem-sucedido reator de pesquisas, porém, é o JET (Joint European Torus), de Culham, Inglaterra, como o nome diz, uma operação conjunta dos países da Comunidade Econômica Européia. 

O JET produz temperaturas superiores a 100 milhões de graus e também alcança a densidade necessária. Apesar de seus quase 3 metros de raio, o toróide ainda é pequeno demais para se conseguir simultaneamente as duas coisas. "Por isso pensamos num sucessor do modelo JET", explica seu diretor, o físico francês Paul-Henri Rebut. Os europeus pretendem construir outro reator - o Next European Torus (NET), se o projeto do ITER, na Alemanha, não for adiante. Mas antes têm de resolver alguns inconvenientes, Por exemplo, pode acontecer que o trítio, que é radioativo, escape sob a forma de gás. Além disso, a parede de aço do reator, submetida ao constante bombardeio de partículas, tem de ser substituída depois de alguns anos.

Diante desses problemas, não é de admirar que, de tempos em tempos, os pesquisadores sonhem com algum atalho na busca da fusão. O caso mais espalhafatoso foi o dos pesquisadores Stanley Pons e Martin Fleischmann, da Universidade de Utah, nos Estados Unidos. Em março último, eles anunciaram ter conseguido a fusão a frio, isto é, à temperatura ambiente, usando pouco mais que um bateria parecida com a dos automóveis. Antes deles, houve outras alegações semelhantes que no fim caíram no ridículo.

Em 1951, por exemplo, o presidente da Argentina, Juan Domingos Perón, proclamou orgulhosamente que o físico alemão Ronald Richter havia produzido em Buenos Aires a energia de fusão com materiais baratos. Era tudo fraude, porém. Richter foi preso e nunca mais se ouviu falar de suas experiências. Sete anos depois, o inglês Sir John Cockcroft anunciou um novo milagre: sua máquina chamada Zeta produzira uma reação que, de boa-fé, ele acreditou ser fusão nuclear. Constatado o equívoco, Cockcroft retratou-se.

As experiências com fusão nuclear mais promissoras, além das que usam o confinamento magnético, são as que se baseiam no laser, cujo raio luminoso concentra num pequeno ponto grandes quantidades de energia. É algo extremamente sofisticado. As experiências realizadas no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, da Califórnia, fazem parte das pesquisas ligadas ao criticado projeto Guerra nas Estrelas e são, por isso, secretas. Outros testes são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são feitos no Japão. Sabe-se que átomos de deutério e trítio solidificados são aprisionados em incríveis esferas ocas de metal de milésimos de milímetro de diâmetro, confinadas numa câmara de vácuo. Em seguida, os átomos são submetidos a um fogo cruzado de 20 feixes de 100 trilhões de watts de laser durante 1 bilionésimo de segundo. Atingidas por todos os lados pelo bombardeio, as bolinhas se aquecem tanto que se comprimem até fundirem. Só que, como no caso dos tokamaks, não se conseguiu obter mais energia do que a aplicada no processo. 

Outra tentativa original consiste em reduzir a temperatura em que a fusão ocorre, usando partículas atômicas chamadas múons, que se formam naturalmente pela ação dos raios cósmicos ou nos aceleradores de partículas dos laboratórios. Quando se bombardeia uma mistura de deutério e trítio com múons, eles tendem a substituir os elétrons em volta dos átomos. Mas, como são 207 vezes mais pesados, giram tão próximos do núcleo que fazem o átomo original literalmente encolher. Isso leva os núcleos a se aproximar tanto que podem se fundir. Então, os múons ficam novamente livres e o ciclo recomeça.

Esse bizarros personagens ganharam alguma notoriedade fora dos arcanos científicos quando se sugeriu que a suposta fusão a frio de Utah talvez se tivesse originado devido à presença de múons na atmosfera. Pelo menos é esta a hipótese do físico americano Stephen Jones, também de Utah, que igualmente realizou experiências na área. O problema é que, como a vida dos múons é muito breve, os pesquisadores tentam descobrir quantas reações os múons podem realizar antes de decaírem. Só então se poderá saber se o processo é econômico em termos do que entra e do que sai de energia. Os aceleradores de partículas nos Estados Unidos, União Soviética, Japão e Suíça conseguiram por enquanto um número insuficiente de reações para se obter saldo de energia positivo.

Por modestas que sejam as esperanças de chegar à fusão e por mais caras que sejam as pesquisas, a promessa de energia ilimitada é ilimitadamente sedutora. Segundo todos os cálculos, as futuras usinas de fusão nuclear poderão extrair de 1 metro cúbico de água uma quantidade de energia igual à de 2 mil barris de petróleo. E tudo isso praticamente sem radioatividade; portanto, sem o lixo atômico das usinas nucleares. Além disso, sem produzir dióxido de carbono, como os combustíveis fósseis que envenenam o clima da Terra. Soa a ficção científica, sem dúvida. Mas, com tantas maravilhas no distante horizonte, os pesquisadores de fusão não rejeitam, em princípio, nenhuma possibilidade. O século XXI verá o resultado.

A alternativa fria demolida

Desde março último a fins de maio, cientistas do mundo inteiro discutiram se houve mesmo fusão nuclear com geração de calor nas experiências realizadas em Utah, nos Estados Unidos, de um lado pelos químicos Stanley Pons e Martin Fleischmann e de outro pelo físico Steven Jones. Logo em seguida à ruidosa proclamação da proeza, uma febre de ensaios semelhantes propagou-se pelos institutos de pesquisa de muitos países, entre eles o Brasil. "Todo cientista com um pouco de sangue nas veias quis fazer também a experiência", concede o professor Iuda Goldman, do Instituto de Física da USP. Toda essa pilha de ensaios serviu para congelar o entusiasmo inicialmente provocado pela alegada fusão a frio. 

Enquanto a maioria dos testes deu em nada, em alguns parece ter ocorrido geração de nêutrons, um indício de fusão, mas a quantidade de energia obtida foi tão pequena que nem sequer pôde ser medida. Diante das incertezas, centenas de cientistas de diversas áreas reuniram-se nos Estados Unidos no final de maio para uma avaliação global do assunto. Com raríssimas exceções, os pesquisadores demoliram a expectativa de que a fusão a frio pudesse ter alguma utilidade como fonte de energia. O veredicto dos especialistas foi de que as experiências de Pons e Fleischmann constituíam apenas um fenômeno esotérico.

A idéia da dupla foi muito simples. Em vez de aproximar os núcleos de deutério aumentando a temperatura e obrigando-os a colidir uns com os outros, fizeram passar uma corrente elétrica por dois condutores de platina e paládio mergulhados em água pesada (D2O). Dessa forma, o deutério de carga positiva, é atraído pelo paládio, de carga negativa. Aprisionados na estrutura cristalina do paládio, os núcleos do deutério se aproximam como se estivessem comprimidos. O resultado seria o mesmo que se consegue a altas temperaturas: a fusão de núcleos de deutério com a produção de energia. Como em nenhuma parte os cientistas conseguiram obter por esse meio a quantidade de calor mencionada por Pons e Fleischmann e estes vinham se recusando a fornecer detalhes de sua experiência -, prevaleceu a convicção de que tudo não passou de uma falsa esperança.

Progressos brasileiros.

Confinar a matéria nas condições necessárias à fusão nuclear exige experiências com equipamentos grandes e caros, daqueles que só existem em países ricos. Mas várias instituições brasileiras de pesquisa realizam estudos sobre o confinamento do plasma, ou gás ionizado, essencial ao desenvolvimento da fusão. No Instituto de Física da USP, por exemplo, funciona desde 1980 o único aparelho tokamak da América Latina. Foi inteiramente planejado e construído no país e tem poucos componentes importados. É uma máquina de pequeno porte, com raio de temperatura de cerca de 2 milhões de graus.

Já no Laboratório de Plasma de Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) começou a funcionar este ano um toróide compacto que consegue temperaturas de 5 milhões de graus, embora por um tempo menor do que com os tokamaks convencionais. Também a Universidade Federal Fluminense, em Niterói, possui uma máquina linear importada da Alemanha; o Instituto de Pesquisas Espaciais (Inpe), enfim, construiu um aparelho de confinamento magnético do tipo toroidal, ainda em implantação, com 12 centímetros de raio e que chega a 1 milhão de graus.

A força oculta - Hidrogênio

A FORÇA OCULTA - Hidrogênio



O hidrogênio não existe em estado puro, mas está presente em quase tudo. Por isso, deverá ser no futuro o que o petróleo foi neste século. Isso acontecerá quando o homem dominar os segredos da fusão nuclear - um árduo desafio à ciência.

O automóvel pára no posto. O frentista se aproxima, pede a chave, abre o tanque, retira do veículo um cilindro metálico gasto e substitui por outro, carregado. O cilindro está cheio de gás, que penetra nas moléculas do metal como água numa esponja. Aquecido, o gás se desprende e impulsiona o motor do automóvel, sem liberar sujeira pelo escapamento, ao contrário dos combustíveis tradicionais, derivados do petróleo ou do álcool.
Por enquanto, isso é apenas ficção. Só existe numa experiência em Berlim Ocidental, onde, desde 1984, dez veículos do serviço público rodam graças a cilindros carregados de hidrogênio. Este é considerado o combustível do futuro, por existir em toda parte e não causar estragos ao meio ambiente. Os especialistas apostam que o hidrogênio vai ser a grande fonte de energia do mundo civilizado já na primeira metade do século XXI, quando se imagina que as reservas conhecidas de petróleo, carvão e gás estarão em baixa e o acúmulo de dióxido de carbono na atmosfera, resultado da queima de óleo, atingirá níveis insuportáveis.
Os motores dessa mudança estão nos laboratórios de universidades, centros de pesquisa e indústrias. A Daimler-Benz, empresa alemã, por exemplo, deu ciência pela primeira vez dos testes com carros movidos a hidrogênio no ano passado, durante a 6 ª Conferência Mundial sobre Hidrogênio, realizada em Viena, na Áustria. A BMW também está investindo num projeto para produzir carros a hidrogênio.
No Brasil, o Laboratório de Hidrogênio da Universidade Estadual de Campinas já em 1978 fazia experiências com um jipe Toyota alimentado por uma mistura de hidrogênio e óleo diesel. Mas, se conseguiu uma boa dianteira nessa corrida, a Unicamp teve de parar no meio da pista por falta de combustível. O projeto do motor a hidrogênio dorme nas gavetas do laboratório à espera de verbas do governo. Enquanto isso, Estados Unidos, França, Alemanha e Japão aceleraram pesquisas nesse campo. De qualquer forma, a tecnologia necessária para mover carros, ônibus e caminhões a hidrogênio ainda caminha lentamente, se comparada com a das naves espaciais, que atingem velocidades de 60 mil quilômetros por hora graças a uma mistura de hidrogênio e oxigênio líquidos.
No rastro dos foguetes vêm os aviões. O engenheiro José Roberto Moreira, do Instituto de Eletrotécnica da USP e um dos maiores especialistas brasileiros em fontes de energia alternativas, acredita que os aviões serão os primeiros a aderir ao hidrogênio líquido, um tipo de combustível que, embora mais inflamável, pesa um terço do querosene usado pelos jatos. Isso quer dizer: com a mesma quantidade de combustível, um Jumbo poderia ficar o triplo de tempo no ar ou levar 60 por cento mais carga, compensando desta forma o custo ainda muito alto do hidrogênio.
Além do desafio de obter hidrogênio em grande quantidade a baixo custo, é preciso saber armazená-lo para evitar explosões - como a que destruiu no ar em 1937 o dirigível alemão Hindenburg, acabando com as esperanças daqueles que viam no balão de hidrogênio uma forma eficiente de transporte. Hoje, os balões são usados praticamente apenas em meteorologia, sempre que possível movidos a hélio - um gás raro, mas infinitamente menos inflamável. Para se ter uma idéia da velocidade com que o hidrogênio pega fogo, basta recordar as imagens da explosão do ônibus espacial Challenger em janeiro de 1986.
O Challenger carregava 1,8 milhão de litros de oxigênio - hidrogênio líquidos e bastou o escapamento desse combustível, provocado por uma junta solta do propulsor, para causar o desastre 75 segundos depois do lançamento. Mesmo assim, os responsáveis pelos programas espaciais continuam armazenando o hidrogênio das naves no estado líquido, pois dessa forma ele tem muito mais energia por unidade de volume do que como gás comprimido, apesar de exigir uma temperatura de 250 graus negativos. Já no caso dos automóveis, os testes indicam a vantagem dos cilindros metálicos, onde o hidrogênio gasoso penetra de forma tão concentrada que o volume por unidade é quase igual ao do hidrogênio líquido.
Como explica o físico Ennio Peres da Silva, chefe do Laboratório de Hidrogênio da Unicamp, o combustível do futuro é caro "justamente porque não pode ser encontrado em poços ou minas, como o petróleo ou o carvão". Na verdade, para fazer o hidrogênio - que não existe em estado puro na natureza - é necessário gastar mais energia do que será obtida. Por isso, ele só será usado em grande escala quando suas qualidades sobrepujarem essa limitação.
A princípio, sugere Peres da Silva, a eletricidade inevitavelmente desperdiçada pelas usinas poderá ser usada para produzir e armazenar hidrogênio. Isso permitirá, por exemplo, aproveitar o vasto potencial hidrelétrico de regiões como a Amazônia, ao se transportar através de gasodutos a energia de seus rios para os grandes centros de consumo. Só depois - quando o custo dos outros combustíveis a caminho do esgotamento se tornar proibitivo - o hidrogênio poderá ser empregado das mais diversas maneiras, em ferrovias, aeroportos, hospitais, indústrias e casas, além, é claro, de fazer rodar automóveis.
Mas, se para o homem o hidrogênio ainda é uma promessa, no Universo ele é uma antiqüíssima realidade. Há bilhões de anos as estrelas se formam mediante reações nucleares que ocorrem no interior de nuvens superdensas de matérias a temperaturas de até 10 milhões de graus. Essas reações transformam o hidrogênio das nuvens em hélio, liberando quantidades extravagantes de energia, como em escala incomparavelmente menor acontece nas, chamadas bombas H, ou de hidrogênio, que integram os arsenais nucleares das grandes potências.
O hidrogênio é o elemento mais comum do Universo, embora só exista associado a outras substâncias. É também o mais simples e leve - seu átomo tem apenas um próton e um elétron. Isso significa que é catorze vezes mais leve que o ar. Está presente de maneira discreta na água e na maioria dos compostos orgânicos, entre os quais o petróleo e o carvão, e também nos animais e vegetais.
O hidrogênio é considerado um combustível "quente"; de fato, contém três a quatro vezes mais energia do que os outros, em cujas fórmulas, aliás, está presente. O petróleo, por exemplo, é formado principalmente por hidrocarbonetos - compostos químicos de carbono e hidrogênio. O gasogênio, usado nos automóveis durante a Segunda Guerra Mundial, é uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono, cuja fonte é o carvão, aliás também formado de hidrocarbonetos.
Mas o hidrogênio pode ser obtido de uma fonte limpa, ou seja, da água. Para isso, usa-se um processo denominado eletrólise por seu inventor, o físico inglês Michael Faraday (1791-1867). Consiste em separar os elementos de uma substância fazendo circular eletricidade por ela. Por mais que se use água para fazer hidrogênio, a fonte não vai secar: no processo de combustão, o hidrogênio volta a se combinar com o oxigênio, fazendo água de novo. É por isso que, em vez de fumaça malcheirosa, o escapamento dos automóveis a hidrogênio só vai liberar o inofensivo vapor de água. Para os ecologistas, é o sonho dos sonhos: no mundo movido a hidrogênio, não haverá poluição do ar provocada pelo monóxido de carbono.
Infelizmente, o hidrogênio produzido por eletrólise representa apenas uma gota de água perto das necessidades energéticas mundiais. Só para substituir 40 por cento do petróleo consumido no Brasil seria preciso o equivalente a três hidrelétricas de Itaipu ou mais de 1 bilhão de quilowatts-hora de energia por dia para produzir hidrogênio. Como o país não dispõe de tamanha fartura de eletricidade, 80 por cento da produção nacional de 300 mil toneladas anuais de hidrogênio vêm de derivados do petróleo, principalmente propano - o gás de cozinha - e nafta. O resto é hidrogênio eletrolítico, fornecido para indústrias de alimentação, farmacêuticas ou químicas, que requerem um produto mais puro.
A eletricidade - obtida seja de que maneira for - é a maneira mais inteligente de conseguir hidrogênio. Uma possibilidade vem sendo experimentada com sucesso em Corumbataí, no interior de São Paulo. Ali a Cesp produz 1 mil metros cúbicos de hidrogênio por hora pela gaseificação da madeira, uma fonte de energia renovada pela ação do homem. O professor José Roberto Moreira, da USP, um entusiasta da biomassa - energia obtida a partir de vegetais, como o álcool etanol hidratado da cana -, tem grandes esperanças de que o projeto de Corumbataí seja aprovado para a produção em grande escala.
Próximo a Stuttgart, Alemanha Ocidental, está sendo construído o Centro Experimental de Aeronáutica e Astronáutica, onde células solares transformam a luz do Sol em até 100 quilowatts de potência para alimentar as unidades de eletrólise.
O processo não é nem um pouco econômico, mas tem a vantagem de depender da maior fonte de energia que existe - o Sol. A quantidade de energia solar que atinge a superfície da Terra em dez dias é equivalente a tudo o que o planeta tem em matéria de reservas conhecidas de combustível. Qualquer que seja a forma de produzir hidrogênio, o mundo tem pressa de torná-lo econômico. E o tempo conta: calcula-se que um combustível precisa de pelo menos setenta anos para participar da metade do mercado energético mundial.
Seriam necessários 25 bilhões de metros cúbicos de hidrogênio só para fornecer a energia equivalente ao consumo de gás natural nos Estados Unidos, na década passada - enquanto toda a produção mundial de hidrogênio se limita a 2 bilhões de metros cúbicos anuais. Como se vê, há muito chão pela frente até o hidrogênio tornar-se um combustível competitivo. Mas não há remédio tão eficaz para salvar o mundo de uma crise de energia - ou da poluição.

O homem imita as estrelas

O processo da fusão nuclear - do qual nascem as estrelas - ainda não foi controlado pelo homem. O que se domina é a fissão nuclear (desintegração de átomos de urânio), usada nas bombas atômicas e nos reatores para a produção de energia elétrica. Mas, em 1.º de novembro de 1952, uma ilhota perdida no meio do Pacífico serviu de cenário para a explosão da primeira bomba termonuclear, também chamada bomba de hidrogênio ou bomba H, porque partiu da fusão dos átomos desse elemento. A explosão fez parte do programa militar de controle da energia do átomo, iniciado nos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial.
Os norte-americanos não ficaram sós por muito tempo: a União Soviética explodiu sua primeira bomba em 1961, a China em 1967 e a França em 1968. Desde então, a proliferação nuclear tornou-se a maior ameaça já conhecida à vida na Terra. A energia de fusão é liberada quando os núcleos de dois isótopos do hidrogênio - deutério e trítio - se aquecem, colidem entre si a uma velocidade altíssima e acabam se combinando para formar um átomo de hélio mais pesado. O processo, como se percebe na explosão da bomba H, libera uma quantidade fantástica de energia. A primeira bomba soviética, por exemplo, alcançou uma potência de 60 megatons, o equivalente a duas mil bombas de Hiroxima.
Com toda essa força, o hidrogênio teria mesmo de servir como combustível para reatores nucleares. O problema é conseguir a temperatura necessária à fusão dos núcleos de deutério - 300 milhões de graus centígrados durante 10 segundos. A bomba H, para explodir, depende do calor gerado pela explosão de uma bomba de fissão. O recorde de temperatura até agora foram os 200 milhões de graus centígrados obtidos no ano passado no Laboratório de Física do Plasma da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. Os norte-americanos usaram um equipamento de grandes dimensões - o reator de teste de fusão Tokamak, destinado ao confinamento do plasma. Esse é o quarto estado da matéria - uma mistura de elétrons livres e núcleos dos átomos, que constitui um pré-requisito essencial à fusão nuclear.
Prevê-se que a temperatura necessária à fusão só será alcançada no século XXI. Quando isso ocorrer, os reatores se tornarão uma fonte segura de energia. Pois, ao contrário dos reatores de fissão que consomem urânio 235, os de fusão gastarão hidrogênio, que não tem radiatividade. A fusão também produz muito mais energia que a fissão. O físico Ivan da Cunha Nascimento, coordenador do grupo que instalou um pequeno Tokamak na Universidade de São Paulo, dá um exemplo: "Com 1 grama de deutério, um reator de fusão libera 100 mil quilowatts-hora de energia. Para produzir a mesma energia, uma usina como Angra 2 precisaria queimar uma quantidade de urânio cinco vezes maior".

Passando hidrogênio no pão

A dona de casa pode não saber, mas ao comprar margarina, xampu, sabão ou detergente está contribuindo para a produção de hidrogênio. É que esse gás tem a propriedade peculiar de se combinar com quase todos os elementos - da água ao amoníaco, passando pelo carbono, com o qual forma açúcares, hidratos de carbono e hidrocarbonetos, como o petróleo. Ele serve para separar ou purificar materiais na indústria química, na de alimentos, remédios, aços, resinas, explosivos etc.
O hidrogênio puro, obtido por processos eletrolíticos, ou seja, pela circulação de eletricidade na água, entra na produção de gorduras e álcoois, que são a matéria-prima de sabões, detergentes, cosméticos, além dos solventes usados na indústria têxtil. Outra aplicação industrial do hidrogênio é a transformação de óleos vegetais em gorduras. O óleo de coco, por exemplo, na presença do hidrogênio transforma-se em gordura e glicerina. Essa gordura será utilizada depois na fabricação de margarina.
Em reações que requerem grandes quantidades de hidrogênio com um nível de pureza menor, a indústria recorre ao petróleo. O hidrogênio é obtido do petróleo por meio do craqueamento, um processo de quebra de moléculas de hidrocarbonetos com o auxílio de catalisadores - em geral óxidos de ferro. As refinarias usam o hidrogênio para tirar enxofre do petróleo bruto. Quando combinado com o enxofre, o hidrogênio se transforma em gás sulfídrico, responsável pelo mau cheiro das refinarias.
Mas sua aplicação mais importante do ponto de vista econômico e em que se esgotam 80 por cento do produto retirado do petróleo é na indústria de fertilizantes. Sem hidrogênio não haveria agricultura com amplo suporte de tecnologia avançada como se conhece hoje: ele é o responsável pela produção de amônia, da qual é retirado o nitrogênio dos fertilizantes.