Jonathan Tennenbaum – 27 de abril de 2020
Parte 4 do sonho de Hidrogênio-Boro: Lasers radicalmente de alta potência já em uso podem abrir caminho para reações de hidrogênio-boro Imagem de capa: Estrutura subnuclear do núcleo de um átomo de silício.
A era atual da tecnologia da informação – a transformação da vida cotidiana por laptops, smartphones, a chamada inteligência artificial etc. – tornou-se possível graças ao aumento exponencial do poder de processamento dos microcircuitos, iniciado na década de 1970 e em curso até hoje.
Esse processo é descrito empiricamente pela famosa lei de Moore: o número de elementos de transistor que podem ser colocados em um chip de circuito integrado dobra a cada dois anos.
Poucas pessoas estão cientes, entretanto, de que um processo análogo está ocorrendo na tecnologia do laser. As intensidades dos pulsos de luz que os lasers podem fornecer têm aumentado exponencialmente desde que o primeiro laser foi construído em 1960.
Tornou-se possível concentrar quantidades cada vez maiores de energia em pulsos cada vez mais curtos, até um milionésimo de bilionésimo de segundo ou menos. Entramos no mundo da “luz extrema” – formas de luz que, até onde sabemos, nunca existiram em nosso sistema solar até agora.
Eu me arrisco a prever que o impacto sobre o futuro da sociedade pode ser tão radical quanto a revolução da informação, mas de uma forma completamente diferente.
Para usar uma expressão grandiosa e politicamente incorreta, estamos falando de um aumento do poder do Homem sobre o universo físico. As tecnologias da informação são ferramentas fantásticas e indispensáveis; mas, por si próprias, elas não podem fornecer energia a cidades ou levá-lo a Marte. A fusão a laser pode.
Os novos lasers de pulso ultracurto e de altíssima potência serão capazes de fazer muito, muito mais. E, por falar nisso, esses lasers são a chave para manter a lei de Moore funcionando, através de melhorias na litografia de microchips e outras aplicações.
Como se pode ver no diagrama, a intensidade máxima que pode ser atingida focalizando um pulso de laser cresceu extremamente rápido nos primeiros anos. Isso foi seguido por mais de uma década de progresso muito mais lento, apenas para explodir no início de 1985.
Esse é o ponto marcado “CPA”, a descoberta da técnica de “amplificação de pulso trilado/chirped pulse amplification”, que descreverei em um momento. CPA marcou um avanço revolucionário na capacidade de amplificar pulsos de laser. Desde então, as intensidades do laser aumentaram por um fator de 10 a cada cinco anos.
Quão curto é um momento de tempo?
A tecnologia laser não só permite que a energia da luz seja concentrada no espaço – focalizando um feixe em uma área minúscula – mas também no tempo. Lasers agora estão disponíveis comercialmente, que produzem pulsos de luz que duram não mais do que alguns femtossegundos. Um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de um segundo.
Para se ter uma ideia da incrível brevidade de um femtossegundo: a proporção de um femtossegundo para um segundo de tempo corresponde àquela entre 1 segundo e 770 milhões de anos.
Em pesquisas em andamento, os comprimentos de pulso estão sendo empurrados para baixo abaixo de um femtossegundo na região do attossegundo, mil vezes mais curto. Isso atinge a gama de processos físicos fundamentais que ocorrem em átomos individuais. Pela primeira vez, está se tornando possível fazer algo como um vídeo em câmera lenta do movimento de elétrons individuais em um átomo.
Os métodos padrão para produzir pulsos ultracurtos até a faixa do femtossegundo – os chamados Q-switching e mode-locking – foram desenvolvidos já na década de 1960. O grande desafio era: quanta energia alguém pode concentrar em tal pulso?
Como regra, um sistema de laser de pulso ultracurto consiste em um oscilador de laser seguido por um amplificador, que amplifica o pulso inicial relativamente fraco em um poderoso. Esforços para aumentar a energia do pulso enfrentaram um obstáculo, no entanto.
Além de uma determinada potência, o amplificador e o sistema óptico sofrem danos catastróficos. Entre outras coisas, a luz laser suficientemente intensa tende a “autofocar” ao passar por um meio, atingindo densidades de energia que nenhum material pode suportar.
Em meados da década de 1980, porém, o físico Gérard Mourou e sua (então) aluna de doutorado Donna Strickland descobriram uma solução engenhosa para esse problema, conhecida como “amplificação de pulso trilada” (CPA).
Essa invenção, que abriu uma nova era no desenvolvimento do laser, rendeu a eles o Prêmio Nobel de Física em 2018.
Trilar
O termo e o conceito básico de “chirp” originou-se na área de sistemas de radar militares por volta do final da Segunda Guerra Mundial e foi desenvolvido operacionalmente na década de 1950. O conceito foi desclassificado pela primeira vez em 1960. Vou esboçar brevemente a ideia, que é bastante interessante.
Os sistemas de radar trabalhando com uma frequência fixa, no esforço de aumentar seu alcance e resolução, eram limitados pela necessidade de produzir pulsos muito curtos com potências muito altas. Mas com mais e mais amplificação, os componentes atingiram seu limite de dano.
No “radar chirp”, o pulso emitido pelo transmissor do radar não tem uma frequência fixa, mas é modulado por frequência – “trilado”. No curso do pulso, a frequência diminui de um valor inicial escolhido para um menor (ou o oposto) antes de ser interrompida. O pulso é então relativamente longo, permitindo que seja amplificado para altas potências sem danos aos componentes eletrônicos do transmissor.
O sinal, indo para o objeto alvo e refletido de volta, chegará com a mesma modulação de frequência. (A ligeira mudança de frequência devido ao efeito Doppler para um objeto em movimento, como um avião, tem apenas um impacto marginal na maioria dos contextos.)
Agora vem o truque: o receptor de radar contém uma “rede de atraso” projetada de tal forma que os sinais de alta frequência refletidos demoram mais do que os sinais de baixa frequência para passar pela rede.
À medida que o sinal modulado por frequência refletido viaja pela rede, as partes iniciais de frequência mais alta do sinal são atrasadas apenas o suficiente para que as partes de frequência mais baixa possam alcançá-los. Isso resulta em um “acúmulo” de energia: o pulso que sai da rede de atraso é muito comprimido no tempo em relação ao original.
Pode-se perceber que o pulso muito curto resultante contém as mesmas informações sobre o objeto, como se o pulso original fosse igualmente curto. A partir do pulso sintetizado, o receptor de radar pode medir o atraso de tempo preciso do sinal ao viajar de e para o alvo, revelando sua distância até o alvo.
A diferença é que o sinal modulado em frequência muito mais longo emitido pelo “radar chirp” pode ter muito, muito mais energia do que poderia ser transmitida em um pulso curto. O radar pode “ver mais longe” e atingir uma precisão maior.
O nascimento da ‘luz extrema’
Foi pela primeira vez em meados da década de 1980 que Gérard Mourou e sua então aluna Donna Strickland, trabalhando no Laboratório de Laser da Universidade de Rochester, conseguiram aplicar a ideia de “trilar” ao problema de amplificação de pulsos de laser ultracurtos (veja o diagrama abaixo).
Em seu esquema, o papel da rede de atraso no radar trilado é desempenhado por um par de grades de difração. Essas diferentes frequências de luz, contidas no pulso curto, formam um “arco-íris” de frequências e forçam as frequências mais altas (“mais azuis”) a percorrerem um caminho mais longo do que as frequências mais baixas (“mais vermelhas”).
Isso faz com que os componentes de frequência mais alta fiquem para trás conforme o pulso viaja para o amplificador. O pulso original, fraco, mas ultracurto, produzido pelo oscilador de laser à esquerda, é estendido pelo primeiro par de grades de difração em um pulso 1.000 ou mais vezes mais longo de frequência crescente, por exemplo, começando em vermelho e terminando em azul.
O pulso “esticado” resultante passa por um amplificador a laser, onde a energia total pode ser aumentada para potências gigantescas sem danos ao meio amplificador. Finalmente, um segundo conjunto de grades de difração, operando ao contrário, faz com que o pulso longo se “recomponha” na saída do sistema em um único pulso ultracurto de potência gigantesca. Fatores de amplificação de trilhões ou mais vezes podem ser alcançados.
Graças ao advento da amplificação de pulso trilado, lasers de alcance de femtossegundo com potências na faixa de petawatts – um milhão de bilhões de watts – estão em operação hoje em laboratórios em todo o mundo.
Quando um pulso desse tipo de laser é focado em um alvo, coisas novas e selvagens acontecem, fenômenos do domínio da física nuclear e física de partículas elementares: transmutação de átomos e outras reações nucleares, geração de feixes de partículas de ultra-alta energia (relativística) e a aceleração de objetos macroscópicos (blocos de plasma) a velocidades de 1.000 quilômetros por segundo e mais.
Ironicamente, apesar de sua enorme intensidade, os pulsos – desde que tenham bordas suficientemente nítidas (a chamada alta taxa de contraste) -– praticamente não geram calor quando interagem com a matéria. Em vez disso, sua energia é transformada em processos organizados e dirigidos. O calor não tem tempo para se desenvolver e só aparece mais tarde, quando os processos diminuem.
À medida que as intensidades do laser continuam a crescer a uma taxa exponencial, os físicos teóricos estão sonhando em alcançar intensidades nas quais a chamada quebra do vácuo, onde a matéria é criada “do nada” apenas a partir da energia, possa ser observada diretamente.
O Centro de Estudos de Extrema Luz (XCELS) da Rússia deve chegar a 200 petawatts, com a opção futura de subir aos níveis de exawatts (1.000 petawatts, ou um bilhão, bilhões de watts). Os EUA estão lutando para reconquistar a liderança com o Sistema de Laser de Pulso Ultrashort Equivalente a Zettawatt (ZEUS) a ser construído na Universidade de Michigan.
O ZEUS usará pulsos de laser e feixe de elétrons em colisão para atingir potências totais da ordem de um zettawatt (um bilhão de bilhões de bilhões de watts).
O que o cidadão comum deve tirar com esses números estonteantes? Promessas geralmente credíveis a respeito de aplicações práticas como novos materiais e métodos de produção, aplicações em diagnósticos e tratamentos médicos, eliminação de resíduos nucleares e, não menos importante, fusão nuclear.
No entanto, realizar a forma conhecida mais vantajosa de energia de fusão – a reação de hidrogênio-boro livre de radioatividade – não depende dos megaprojetos mencionados acima.
Parece muito com o conceito de reator apresentado pelo físico australiano de plasma Heinrich Hora, que tem atraído atenção crescente nos últimos anos, precisará de pouco mais do que lasers do tipo que já operam em laboratórios ao redor do mundo. E provavelmente muito mais compacto. Na próxima parte, explicarei como funciona.
Jonathan Tennenbaum recebeu seu PhD em matemática pela Universidade da Califórnia em 1973 aos 22 anos. Também físico, lingüista e pianista, ele é um ex-editor da revista FUSION. Ele mora em Berlim e viaja com frequência para a Ásia e outros lugares, como consultor em economia, ciência e tecnologia.
Fonte: https://asiatimes.com/2020/04/fusion-power-enters-world-of-extreme-light/
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