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NUCLEAR: PARA ALÉM DAS USINAS

abril 4, 2011

O Café com Ciência ainda não morreu. Está apenas em um letárgico processo de hibernação. Enquanto isso, contamos com a ajuda de colegas como a Pamela Piovezan (que escreve em um blog chamado Nuclear: conhecer para debater) para manter o pessoal informado! Ficamos então com um texto bem interessante sobre energia nuclear:

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Minha ideia inicial era falar de usinas nucleares e do acidente no Japão. Mas, já pipocaram tantas reportagens, imagens e infográficos na mídia que eu mudei de ideia. Afinal, um infográfico hoje vale mais que mil palavras! (falando nisso, esse infográfico [3] está bem legal).

O acidente nas usinas japonesas alimenta dois opostos: o medo e a curiosidade sobre fenômenos e tecnologias nucleares. Uma aplicação bem interessante da energia nuclear, que não tem sido divulgada nesse “boom” de informações, é na exploração aeroespacial. Pois é! O tal calor de decaimento, vilão no caso japonês, aparece como o protagonista bonzinho nos chamados GERADORES TERMOELÉTRICOS POR RADIOISÓTOPOS (radioisotope thermoelectric generator – RTG [1]). Os RTGs têm fornecido energia elétrica para uma variedade de naves e sondas espaciais, como veremos a seguir.

Bom, vamos começar do começo! Lembrando das aulas de química do colégio, o NÚCLEO dos elementos químicos (aqueles da tabela periódica) é formado por PRÓTONS (partículas carregadas positivamente) e por NÊUTRONS (partículas sem carga). O que diferencia um elemento químico do outro é basicamente o número de prótons. Podem existir elementos com mesmo número de prótons, mas com números de nêutrons diferentes. Tais elementos são chamados de ISÓTOPOS. Como exemplo de iśótopos, podemos citar o Hidrogênio (1 próton e 0 nêutron), o Deutério (1 próton e 1 nêutron) e o Trítio (1 próton e 2 nêutrons).

Ok, mas e os radioisótopos? RADIOISÓTOPOS são isótopos radioativos, isto é, elementos químicos que emitem radiação na forma de partículas alpha (núcleos de Hélio), beta (elétrons ou pósitrons) e radiação gamma (fótons com energias muito altas). Eles emitem radiação porque seus núcleos – o conjunto de prótons e nêutrons – não estão em uma configuração estável: emitindo a radiação, os prótons e nêutrons se reorganizam tentando alcançar posições mais estáveis. Essa radiação emitida pelos radioisótopos carrega ENERGIA que depois é transferida ao meio em que a radiação se propaga. O meio recebe essa energia como uma agitação de suas moléculas e átomos, o que se traduz em CALOR. Esse é o tal do CALOR DE DECAIMENTO!

Voltando então ao nosso assunto, os geradores termoelétricos por radioisótopos (RTGs) têm fornecido energia elétrica para uma variedade de naves e sondas espaciais. Eles consistem em um radioisótopo e um sistema de conversão termelétrico: o calor produzido a partir do radioisótopo é convertido diretamente em eletricidade. A eficiência dessa conversão é da ordem de 15%, ou seja, 15% do calor gerado é transformado em eletricidade. A Cassini, por exemplo, a primeira nave a órbitar Saturno, é alimentada por RTGs. Após seis anos de viagem até os anéis de Saturno, a Cassini chegou ao seu destino em 2004. Para viajar longas distâncias, ela é alimentada por três RTGs (com quase 33 kg de plutônio) que produzem 750 W de potência.

A energia elétrica gerada diminui um pouco com o tempo devido ao DECAIMENTO EXPONENCIAL da radioatividade. Para entender isso, vamos considerar o Pu-238 (plutônio com 94 prótons+144 nêutrons, totalizando 238 nucleons), um radioisótopo utilizado nos RTGs por causa de sua MEIA-VIDA de 87 anos. À medida que o Pu-238 decai, ele se transforma em outro elemento químico. Logo, a concentração de Pu-238 (isto é, o número de átomos de Pu-238 dividido pelo volume) diminui com o tempo (porque o número de átomos de Pu-238 diminui!). A diminuição da concentração do radioisótopo é EXPONENCIAL (cai muito rápido nos primeiros intervalos de tempo e depois vai caindo mais devagar). No caso do Pu-238, em 87 anos sua concentração cai pela metade, daí o termo meia-vida. Pois bem, se a concentração diminui com o tempo, a radiação e, consequentemente, o calor de decaimento também o fazem! Como nos RTGs a energia elétrica é gerada a partir do calor de decaimento, a energia gerada também diminui com o tempo.

Além da Cassini, famosas missões espaciais como a Pioneer 10 e 11, a Apolo, a Galileo e as Voyager foram alimentadas por RTGs. Até 2005, 44 RTGs tinham alimentado 24 veículos espaciais dos EUA.  Para se ter uma ideia da confiabilidade de tais sistemas, os RTGs das Voyager I e II estão operando há aproximadamente 30 anos! De fato, as principais vantagens dos RTGs são a longa durabilidade, o tamanho compacto, a alta confiabilidade e resistência a efeitos ambientais como o frio e meteoritos.

Em 2005, a NASA lançou o relatório “Expanding Frontiers with Standard Radioisotope Power Systems” [2] contendo uma análise detalhada sobre o passado, o presente e o futuro do uso das tecnologias nucleares para a exploração espacial. De 1960 a 2010 os sistemas de geração elétrica que utilizam o calor de decaimento de radioisótopos evoluíram bastante e, segundo o relatório da NASA, a próxima geração de missões espaciais utilizará os MMRTGs (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) e os SRGs (Stirling Radioisotope Generator). Dentre as aplicações previstas estão o Triton Lander, o Dual-Mode Lunar Rover Vehicle, o Titan Aerobot e o Saturn Ring Observer.

Uma coisa é certa: essa tecnologia permitiu a exploração espacial de longas distâncias, garantindo a energia elétrica onde não é possivel utilizar a energia solar ou carregar pesados geradores elétricos de combustíveis fósseis.

fontes:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator

2. http://solarsystem.nasa.gov/scitech/display.cfm?ST_ID=705

3. http://www1.folha.uol.com.br/mundo/890016-entenda-o-que-causa-as-explosoes-em-usina-nuclear-no-japao.shtml

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