A ciência pode realmente cantar ‘As Crônicas de Gelo e Fogo’: Weeki Donga

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O Sol tem 4,6 bilhões de anos. Parece muito, mas em termos de estrelas, é hora de se apaixonar pelo trabalho. Mas o sol não pode durar para sempre. Provavelmente será corrigido até que tenha cerca de 6,3 bilhões de anos, mas depois disso, ficará progressivamente mais brilhante, maior e eventualmente esfriará. É claro que, no processo de crescimento, existe a possibilidade de ameaçar a terra. O que acontecerá conosco quando o sol desaparecer? Você provavelmente vai tremer na superfície fria do planeta e perder tudo e entrar em colapso.

Quando a palavra sol artificial ou resultados de pesquisa são encontrados na mídia, alguns podem pensar que ela pode ser criada para substituir o sol que um dia desaparecerá. Órgãos artificiais substituem órgãos humanos, e a respiração artificial nos ajuda a respirar normalmente, o que não podemos fazer sozinhos. No entanto, o sol artificial não foi criado para substituir a luz solar que brilha a 150 milhões de quilômetros de distância. Claro, o método em si não é fácil, mas o objetivo em si é obter energia do sol na Terra em vez de substituir o sol.

Em primeiro lugar, para entender corretamente o que o sol artificial obtém energia de uma reação nuclear, é necessário entender claramente a fissão nuclear e a fusão nuclear, que são reações nucleares representativas. A fissão nuclear é o princípio da energia nuclear como a conhecemos. Quando um nêutron colide com um núcleo atômico pesado, como urânio ou plutônio, ele se divide em dois núcleos atômicos mais leves, liberando energia. Ao contrário, a fusão nuclear

Uma reação na qual dois núcleos atômicos se fundem para formar um núcleo atômico maior e mais pesado. Como o mesmo princípio de reação ocorre no sol, o produto resultante é chamado de sol artificial. É estranho que tanto na fissão quanto na fusão, a massa da massa resultante seja sempre menor do que antes, e essa massa reduzida seja convertida em energia de acordo com a famosa fórmula de Einstein (E = mc2). Como a velocidade da luz é tão rápida, mesmo uma massa muito pequena aparece como uma troca equivalente de energia enorme.

A geração de energia nuclear através da fissão nuclear é uma boa fonte de energia. Mais de 30% da energia elétrica que usamos é baseada na energia nuclear e quase não emite gases de efeito estufa, por isso tem pouco impacto no aquecimento global. No entanto, quando os nêutrons colidem com o urânio para obter energia durante a fissão nuclear, os produtos resultantes da fissão continuam a decair em um estado instável e emitem radiação. Claro, as emissões de radiação de instalações bem gerenciadas podem ser previstas, então não há grande problema. No entanto, acidentes de grande escala causados ​​por desastres naturais, como o acidente da usina nuclear de Fukushima, no Japão, causam grandes danos à humanidade. Se possível, não temos escolha a não ser pensar constantemente em como encontrar uma fonte de energia que gere eletricidade suficiente sem emitir radiação.

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Felizmente, o filme já foi tratado como uma realidade. Ele é o Homem de Ferro dos super-heróis da Marvel. Perto de seu peito está o reator arc que gera energia quase infinita, a tecnologia usada aqui é a fusão nuclear e o sol artificial. Os cientistas estão tentando criar um sol artificial na Terra, que, se bem sucedido, poderia produzir enormes quantidades de energia sem problemas com radiação. Claro que, mesmo que não seja uma tarefa simples, será completamente compreendida sem precisar ser explicada.

Medos realistas para alcançar a imaginação impossível

Um sol artificial pode ser criado através de uma reação de fusão nuclear na qual dois núcleos atômicos se fundem para formar um núcleo atômico maior e mais pesado. [GETTYIMAGES]

Um sol artificial pode ser criado através de uma reação de fusão nuclear na qual dois núcleos atômicos se fundem para formar um núcleo atômico maior e mais pesado. [GETTYIMAGES]

Há um drama de fantasia chamado Game of Thrones, que foi aclamado pela crítica desde o início, mas terminou com uma espada com cabeça de dragão e continua a impressionar os espectadores. As soberbas habilidades de atuação dos personagens e visuais realistas bordaram bem a tela, mas o ingrediente chave para o sucesso de bilheteria foi o enredo detalhado e preciso. A razão pela qual foi possível criar uma estrutura narrativa complexa foi para apoiar o romance original. O romance de fantasia original, As Crônicas de Gelo e Fogo, foi publicado pela primeira vez em 1996. E aqui, surpreendentemente, há ideias realistas que podem tornar realidade a fusão nuclear dos nossos sonhos.

A ideia de fazer hélio combinando hidrogênio, que nos é familiar, em vez de urânio, que é um isótopo radioativo, já existe há algum tempo. Felizmente, o átomo de deutério necessário para isso está no mar por toda a vida, e a energia de fusão nuclear feita a partir de 1 tonelada de água do mar é tão eficiente quanto a energia produzida a partir de carvão ou 270 toneladas de petróleo. O problema é criar um ambiente semelhante ao sol na Terra, onde ocorre a reação de fusão. Pelo menos duas condições são necessárias para que os núcleos atômicos se fundam e se odeiem tanto. Quando um sólido é aquecido a uma temperatura muito alta, ele passa por um líquido e um gás para um estado chamado plasma, que pode ser considerado o momento mais violento. A fusão nuclear só ocorre quando os núcleos estão se movendo com tanta força que podem colidir, ou quando estão confinados a uma câmara extremamente estreita e aplicam alta pressão para esmagar um ao outro. A massa do Sol é tão alta que seu núcleo pode se fundir quando sua temperatura atinge apenas 15 milhões de graus Celsius. Em Terras de baixa massa, a pressão é muito mais fraca, então é necessária uma temperatura mais alta.

Outra questão importante é onde colocá-lo. Ele só pode ser usado tecnicamente se o ambiente circundante puder tolerá-lo, mantendo a temperatura quente na qual a fusão nuclear pode ocorrer. Pesquisadores coreanos estão tentando fazer isso com o “KSTAR”, uma pesquisa coreana de fusão nuclear que foi desenvolvida independentemente em 2007. Aqui, os materiais mais quentes do mundo são colocados na tigela mais fria e coexistem a uma distância muito próxima. Dentro do instrumento KSTAR, são criados 100 milhões de graus de plasma ultra-quente, um ímã supercondutor que cria um forte campo magnético para confinar o plasma a um estado de -269 graus abaixo de zero. Uma verdadeira canção de gelo e fogo fluirá.

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Para entender isso com mais detalhes, considere um tokamak em forma de rosquinha. No interior, um dispositivo de exaustão a vácuo remove completamente o ar para criar um vácuo extremamente alto semelhante ao universo, e uma bobina supercondutora na parte externa do dispositivo cria um campo magnético extremamente forte dentro do tokamak. Em seguida, coloque um gás dentro para criar um estado de plasma e inicie a reação de fusão nuclear. Quando aquecidas a 100 milhões de graus por um complexo dispositivo de aquecimento externo, as partículas que compõem o plasma no interior sofrem uma reação de fusão umas com as outras, para que as reações de fusão possam ser testadas adequadamente. A equipe de pesquisa coreana também aqueceu o plasma a 100 milhões de graus depois de testar vários aquecedores e conseguiu mantê-lo por 30 segundos. Agora, este ano, estou trabalhando duro para mantê-lo em 50 segundos e dirigir.

Podemos realmente obter eletricidade do sol artificial?

“KSTAR” é uma pesquisa de fusão nuclear que a Coréia desenvolveu com sucesso de forma independente. [사진 제공 · 한국핵융합에너지연구원]

Para cantar as Crônicas de Gelo e Fogo, os cientistas continuaram a desenvolver instrumentos muito desafiadores. Dois aquecedores foram construídos para elevar a temperatura do plasma para 100 milhões de graus. Um deles é um dispositivo de aquecimento a plasma que funciona com um princípio semelhante ao do forno de micro-ondas comumente usado na vida cotidiana. O princípio é que os elétrons são cuidadosamente selecionados e aquecidos por meio do disparo de um micro-ondas, um tipo de onda eletromagnética, no plasma dentro do dispositivo de fusão. O outro é um aquecedor de feixe de partículas neutras que aquece as partículas em alta velocidade e as neutraliza por colisão de energia de alta velocidade com o plasma dentro do dispositivo de fusão.

Ao fazer ímãs supercondutores frios, é usado hélio líquido, que é usado principalmente para resfriamento. O dispensador de hélio fornece hélio líquido com precisão dentro do ímã supercondutor e mantém a temperatura extremamente baixa. Além disso, existem dispositivos de diagnóstico semelhantes no KSTAR, assim como um médico diagnostica um raio-x ou o som de um estetoscópio quando você vai ao hospital e fica doente. Do lado de fora, é impossível dizer se o dispositivo está funcionando ou qual é a situação, então você pode tirar uma foto 2D do plasma para ver o que está acontecendo por dentro. Mesmo KSTAR é o resultado de resultados de pesquisas independentes de empresas coreanas em muitos campos, então a proeza tecnológica da Coréia é reconhecida internacionalmente.

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Por causa da possibilidade e dificuldade de abordar o problema de energia da Terra no futuro, sete países, incluindo a Coréia, estão se reunindo na França para construir um dispositivo de pesquisa tokamak supercondutor semelhante em forma e formato ao KSTAR. Com conclusão prevista para 2025, um tokamak tem 27 vezes o tamanho e 3 vezes a largura, comprimento e altura do KSTAR. Ele tem uma conexão importante com o dispositivo KSTAR e é quase semelhante em forma, por isso é provável que as conquistas dos pesquisadores coreanos estejam imediatamente disponíveis quando o trabalho começar a sério. Se o Reator Internacional de Testes de Fusão (ITER) conseguir verificar que uma energia nuclear significativa pode ser gerada e que pode funcionar de forma eficiente e estável, o próximo passo é construir uma usina de fusão para gerar eletricidade que possa ser usada na vida real. Ainda não é possível gerar eletricidade a partir do calor gerado pelo plasma através da fusão nuclear. Para resolver este problema, uma usina de fusão de demonstração (DEMOnstration Power Plant (DEMO)) também está sendo montada pela primeira vez para verificar quanta energia térmica é liberada após essa entrada no plasma.

Pode chegar um momento em que agora estamos criando partes do sol na Terra para as quais não podíamos nem olhar diretamente no passado. Se conseguirmos obter eletricidade do sol artificial aplicando nossas tecnologias de forma abrangente, podemos resolver o problema energético mais importante da humanidade de uma só vez. É claro que, como uma situação em que temperaturas muito frias coexistem com temperaturas muito altas, temos que resolver muitos problemas com ideias que nunca poderíamos ter. Não há razão para ter medo. Somos de fato os seres mais especiais do universo, criando e cantando canções de gelo e fogo que nunca existiram no mundo e possuem infinitas possibilidades de imaginação.

O caminho é…
Depois de se formar no Departamento de Astronomia e Espaço da Universidade Yonsei, trabalhou no Centro de Controle Espacial do Instituto Coreano de Astronomia e Ciências Espaciais e no Laboratório de Controle de Voos Espaciais da Universidade Yonsei. Sob o nome artístico de “Orbit”, ele dirige o podcast “Changchang”, “Unfortunate Science” e “Too Much Science” no YouTube e seu livro “Science Bluff of Orbit”.

Donga Weekly No. 1341 (p52~54)

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