Bloco Energias do Futuro (parte 2)

Energia Nuclear por fusão (ou energia das estrelas) 

Quando se fala em energia nuclear (que é uma fonte não renovável) é importante entender que existem dois tipos: a primeira e mais conhecida é a energia por fissão, que consiste em pegar um átomo de massa molecular alta (normalmente o Urânio) e quebrá-lo em átomos menores, liberando energia e gerando resíduos radioativos; contudo, existe outra maneira de energia nuclear, que utiliza o processo inverso da fissão, ou seja, a fusão, donde esta consiste em fundir átomos menores obtendo assim um átomo maior liberando uma grande quantidade de energia bastante superior a da fissão. Entretanto, a fusão é um processo bem mais complicado de se conseguir devido à força de repulsão dos átomos e a temperatura no decorrer da transformação¹. 

A aventura de produzir energia por meio da fusão nuclear, como as estrelas fazem, deu um salto com o início da construção do reator ITER (Reator Experimental Termonuclear Internacional, na sigla em inglês), em Cadarache no sul da França. As principais potências do planeta (Europa, países como Japão, China, Índia, Coreia do Sul e Rússia) já investiram US$ 32 bilhões na operação, bem mais que o Grande Colisor de Hádrons (LHC, sigla em inglês) do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares, em Genebra, que permitiu a detecção do bóson de Higgs, que custou US$ 6 bilhões. O Iter é a principal aposta da humanidade para viabilizar a produção comercial de energia por meio da fusão nuclear [2]. 

A construção teve início em 2010, mas problemas técnicos, financeiros e contratuais adiaram as obras até dezembro de 2013. Com o recomeço, os diretores do projeto esperam iniciar as experiências no complexo em 2020. O combustível para a fusão, porém, só deverá ser introduzido no reator em 2027. 

A energia por fusão é feita através da união de dois isótopos do Hidrogênio, o Deutério e o Trítio, que são hidrogênios com um maior peso molecular devido aos nêutrons extras que os formam. A fusão desses dois isótopos gera Hélio (segundo elemento da tabela periódica) e libera uma grande quantidade de energia. Mas, para se obter as condições ideais para a fusão o material deve estar a altíssimas temperaturas (por volta de 150 milhões de graus Celsius) e não se conhece material que resista ao contato com essa temperatura. A única maneira encontrada foi trabalhar com o plasma (4º estado da matéria) confinado em enormes campos magnéticos. O material praticamente fica flutuando no centro do campo magnético sem entrar em contato com as paredes do equipamento que o confina, lá o campo magnético é tão forte que supera a força de repulsão existente nos isótopos de hidrogênio, conseguindo assim aproximá-los a ponto de conseguir a fusão. Por isso, governos do mundo inteiro estão projetando equipamentos que gerem campos magnéticos suficientemente fortes para trabalhar na produção desse tipo de energia, que é abundante, limpa e considerada inesgotável [1]. 

 Figura 8: Projeto de um Tokamak¹

      O Iter será o primeiro reator do gênero a produzir mais energia do que precisa para atingir as altíssimas temperaturas necessárias ao processo de fusão nuclear. Para cada 50 MW de eletricidade consumidos, ele deverá gerar até 500 MW de energia na forma de calor [2]. 

Figura 9: Construção de um Tokamak¹

         Em vermelho (figura 8) é destacado o plasma (deutério e trítio) “levitando” confinado no campo magnético produzido pelo equipamento. Esse campo tem duas funções: em primeiro lugar, aquecer a nuvem de hidrogênio até a temperatura para a fusão; em segundo, forçar o plasma a assentar em uma nuvem na forma do anel, longe das paredes do Tokamak – nome dado à máquina do Iter, que contém um milhão de partes, 30 metros de altura e consiste de 18 bobinas magnéticas toroidais (paralelas à câmara de vácuo) e 06 bobinas poloidais (verticais à câmara), que pesam centenas de toneladas [1][5].  

Hidrato de metano (ou “gelo de fogo”)

O mundo é viciado em combustíveis fósseis (petróleo, carvão e gás natural) e é fácil entender por que: são baratos, abundantes e fáceis de extrair, além disso, alimentam o desenvolvimento da indústria mundial. Porém, são altamente poluentes devido suas grandes emissões anuais de gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera, além do mais sua extração tem se tornado mais difícil, à medida que algumas reservas vão se esgotando. Por isso, vários governos do mundo têm buscado por novas alternativas, de preferência que não causem sérios danos ao meio ambiente. 

Um substituto potencial, apesar de ser uma fonte fóssil e não renovável, foi encontrado e repousa profundamente sob permafrost (solo gelado do Ártico) ou nos leitos dos oceanos: o hidrato de metano. Apesar de potencialmente menos poluente que o petróleo e o carvão, porém, sua extração apresenta enormes riscos ambientais [7]. 

O metano (CH₄) é um gás produzido por meio da decomposição de matéria orgânica, como plantas e animais mortos. No fundo dos oceanos, onde a pressão é muito mais elevada e a temperatura é baixa, há o ambiente propício para os micro-organismos sintetizarem a matéria orgânica e produzirem metano. Esse gás é então encapsulado por cristais de gelo [8].

Figura 10: O metano hidratado fica abaixo de muitas camadas de gelo ou no fundo do mar [7].

    

Conhecido como "gelo que arde", os hidratos de metano são substâncias sólidas, semelhantes ao gelo, compostas por água e gás natural (metano), que costumam ocorrer naturalmente em áreas onde o metano e a água podem combinar-se em condições apropriadas de temperatura e pressão (CRUICKSHANK & MASUTANI, 1999). Essas condições podem ocorrer em “permafrost” de regiões árticas e em bacias de águas profundas, adjacentes às plataformas continentais e às bacias de oceano profundo, onde a espessura sedimentar é de, pelo menos, 1.000 metros [3].

Ao reduzir a pressão ou elevar a temperatura, a substância simplesmente se quebra em água e metano. Um metro cúbico do composto libera cerca de 160 metros cúbicos de gás, o que o torna uma fonte de energia altamente intensiva. Por causa de sua abundância e da relativa facilidade para liberar o metano, um número grande de governos está cada vez mais animado com essa nova fonte de energia [7].

Estudos recentes realizados pelo United States Geological Survey – USGB – efetuaram uma estimativa desses depósitos em nível mundial, indicando ser o dobro da energia de hidrocarbonetos fósseis do globo terrestre. Dados publicados em 1998 indicam reservas apreciáveis, mostrando que, nos Estados Unidos, elas podem suprir as necessidades, no atual nível de consumo, por cerca e 64.000 anos [3].

O problema, porém, é extrair o hidrato de metano. Além do desafio de alcançá-lo no fundo do mar, operando sob altíssima pressão e baixa temperatura, há o risco grave de desestabilizar o leito marinho, provocando deslizamentos. Outra ameaça ainda mais grave é o potencial escape de metano. Extrair o gás de uma área localizada não é tão complicado, mas prevenir que o hidratado se quebre e libere o metano no entorno é mais difícil. E isso tem consequências sérias para o aquecimento global - estudos recentes sugerem que o metano é 30 vezes mais danoso que o CO2 [7]. 

Por causa desses desafios técnicos, ainda não há escala comercial de produção de hidrato de metano em qualquer lugar do mundo. Mas alguns países estão chegando perto. Os Estados Unidos, o Canadá e o Japão já investiram milhões de dólares em pesquisa e já realizam alguns testes, desde 1998. Os mais bem sucedidos ocorreram no Alasca em 2012 e na costa central do Japão em 2013, quando, pela primeira vez, houve uma exitosa extração de gás natural a partir de hidrato de metano no mar [7]. 

Figura 11: Produção comercial do gás metano ainda deve demorar [7].

 Em outros países, porém, os incentivos para explorar o gás comercialmente são menores por enquanto. Os Estados Unidos estão priorizando suas reservas de gás de xisto, recurso que também é abundante no Canadá. Já a Rússia ainda tem enormes reservas de gás natural. A China e a Índia, com suas ferozes demandas por energia, são uma história diferente. No entanto, eles estão muito atrás em seus esforços para explorar o recurso [7]. 

Segundo Stephen O'Rourke, da empresa de consultoria energética Wood Mackenzie, não é previsto a produção comercial antes de 2030. De fato, a IEA (International Energy Agency – Agência Internacional de Energia) ainda não incluiu gás hidratado nas suas projeções globais de energia para os próximos 20 anos [7]. 

Mas se essa fonte for explorada, o que parece provável no futuro, as implicações ambientais podem ser extensas. Apesar de ser menos poluente que o carvão ou o petróleo, continua sendo um hidrocarboneto e, portanto, emite CO2. E há ainda o risco mais sério da liberação direta de metano na atmosfera. Alguns argumentam, porém, que pode não haver alternativa, na medida em que o aumento da temperatura global pode provocar a liberação do gás "naturalmente", devido ao aquecimento dos oceanos e ao derretimento das calotas polares [7]. 

Figura 12: Distribuição global de reservas de hidrato de metano [4].

Referências Bibliográficas

[1] Papo Nerd. Possíveis fontes de energia do futuro. Disponível em: <http://papo-nerd.blogspot.com.br/2010/12/possiveis-fontes-de-energia-do-futuro.html>. Acesso em: 22/02/2015.

[2] ARAIA, Eduardo. Revista Planeta Terra. A máquina do sol. Disponível em: <http://revistaplaneta.terra.com.br/secao/ciencia/maquina-do-sol>. Acesso em: 20/12/2014.

[3]  MARTINS, L. R. Hidrato de Metano: um interesse Crescente. Porto Alegre, Janeiro – 2003.

[4] Mundo Educação. O gelo que pega fogo. Disponível em: http://www.mundoeducacao.com/quimica/o-gelo-que-pega-fogo.htm.

[5] Energias do futuro. Revista Planeta Terra. Edição 441-Julho/2009. Disponível em: < http://revistaplaneta.terra.com.br/secao/ciencia/energias-dofuturo>. Acesso em: 06/07/2014 às 13:32.

[6] CRUISKSHANK, M. J. & MASUTANI, S. M. Methane Hydrate Research and Development. Sea Technology: 69-74. Arlington, USA. 1999.

[7] BBC. Novas fontes de energia para o futuro. Atualizado em  21 de abril, 2014 - 11:24 (Brasília) 14:24 GMT. Adaptado, disponível em: <http://www.bbc.co.uk/portuguese/noticias/2014/04/140421_energia_metano_ms.shtml>. Acesso em: 06/07/2014 às 11:45. 
[8] FOGAÇA, Jennifer. Brasil Escola. O gelo que pega fogo. Disponíveu em: <http://www.brasilescola.com/quimica/o-gelo-que-pega-fogo.htm>.  Acesso em: 10 de Mar. De 2015.