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A ciência por trás da fusão a frio
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Durante a investigação da fusão a frio, Pons e Fleischmann tentaram reunir conhecimento científico da química e da física para produzir algo incrível — fusão à temperatura ambiente. Para saber mais sobre a ciência que foi tida em consideração no seu raciocínio, continue a ler …
- Produção de energia através da fusão: De onde é que a energia libertada durante a fusão vem? A resposta está na massa. Se olhar para a massa dos reagentes na reação de fusão e a comparar com a massa dos produtos, verá que os dois números não são iguais — alguma da massa foi transformada em energia, de acordo com a famosa equação de Einstein E = mc2.
- O "combustível" da fusão a frio: O deutério foi o material escolhido por Pons e Fleischmann como combustível na sua tentativa de reação de fusão. O deutério é um isótopo de hidrogénio — ou seja, os dois tipos de átomos têm o mesmo número de protões (um), mas um número diferente de neutrões: o hidrogénio não tem nenhum, enquanto que o deutério tem um. Uma vez que os isótopos são tão semelhantes, eles têm propriedades químicas quase idênticas — é por isso que o deutério, tal como o hidrogénio, pode ser absorvido pelo paládio. Pons e Fleischmann usaram deutério nas suas experiências de fusão porque a fusão de deutério gera cerca de 30 vezes mais energia do que a fusão do hidrogénio.
- A separação da água: Pons e Fleischmann utilizaram a eletrólise para produzir gás de deutério, dividindo moléculas de água pesada — H2O em que o hidrogénio foi substituído por deutério. Quando uma corrente elétrica percorre a água pesada, numa célula de fusão, provoca reações químicas nas varas de metal. foi adicionado deuteróxido de lítio (LiOD) à água para aumentar a sua capacidade para conduzir a eletricidade e acelerar o processo. Na vara de paládio, a água pesada (D2O) reage com os eletrões que formam a corrente e produzem óxido de deutério gasoso e os iões de deutério:
2D2O (l) + 2e- › D2 (g) + 2OD- (aq)
Na vara de platina, os iões de óxido de deutério reagem uns com os outros para produzir gás de oxigénio, água, e eletrões:
4OD- (aq) › O2 (g) + 2D2O (l) + 4e-
Assim, na reação, a água é decomposta nos gases oxigénio e deutério:
2D2O (l) › O2 (g) + 2D2 (g)
- Interação paládio-deutério: O paládio é na realidade um cristal — o que significa que os seus átomos estão organizados num padrão que se repete uma e outra vez para formar um sólido. O padrão básico subjacente ao paládio é um cubo com um átomo em cada um dos cantos e no centro de cada face do cubo. Quando o deutério é absorvido no paládio, é arrastado para o centro destas células, e pode então difundir-se através do cristal, saltando de centro de uma célula para o centro de outra célula. Numa escala tão pequena — um comprimento de cerca de 1/100.000 da largura de um fio de cabelo — os efeitos da mecânica quântica são importantes. Sendo químicos que não se especializaram em fenómenos quânticos, Pons e Fleischmann pensaram que talvez as interações quânticas entre os átomos de paládio e os átomos de deutério podessem fazer com que os átomos de deutério se aproximassem suficientemente perto para fundir. Físicos mostraram mais tarde que este não era o caso.
- Produtos da fusão: De acordo com a teoria nuclear, quando dois átomos de deutério se fundem, formam hélio-4 altamente energético (um átomo com dois protões e dois neutrões). O hélio-4, em seguida, liberta parte da sua energia em uma de três maneiras:
- ejetando um protão e transformando-se em trítio (um isótopo do hidrogénio com dois neutrões e um protão)
- ejetando um neutrão e transformando-se em hélio-3 (um isótopo do hélio com um neutrão e dois protões)
- libertando um raio gama e permanecendo hélio-4 (mas com muito menos energia)
Essas partículas então colidem com as moléculas do meio envolvente e assim transferem parte de sua energia para o paládio e para a água na forma de calor.
- Detetando produtos de fusão: As técnicas já tinham sido desenvolvidas para detetar cada um dos seis produtos da fusão (protões, neutrões, raios gama, trítio, hélio-3 e hélio-4) — mas Pons decidiu concentrar-se na busca de neutrões, uma vez que se esperava serem relativamente abundantes, e eram os produtos mais fáceis de detetar. Quando a procura direta inicial de neutrões feita por Pons não teve sucesso, ele começou por se perguntar se algo estava a acontecercom os neutrões antes de chegar ao detetor. Se os neutrões fossem criados na célula de fusão, então eles acabariam por viajar através da água ao redor da célula. Talvez os neutrões reagissem com a água antes de poderem ser detetados. Assim, numa segunda tentativa de encontrar evidencia de neutrões, Pons olhou para o produto da interação neutrão-água — raios gama. Estes raios gama eram diferentes dos raios gama produzidos pelo próprio evento de fusão, porque esses raios gama secundários tinham muito menos energia. Alguns dos raios gama secundários, então, interagem com a água de uma maneira que seria detetável. A evidência de neutrões obtida por Pons foi finalmente desacreditada porque não havia nenhum sinal dessa interação entre os raios gama secundários e a água.
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