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3He – o que é Hélio-3?

Hélio-3 pode ser o combustível do futuro. Se conseguirmos escalar a tecnologia de fusão nuclear desse isótopo, conquistaremos o Sistema Solar

23 semanas atrás

Hélio-3 é um isótopo de Hélio, o segundo elemento mais simples. Ele é bem raro na Terra, mas razoavelmente abundante no Espaço. Ele pode ser responsável por uma revolução energética nos próximos 50 anos.

Só uma imagem transada (Crédito: Zoltan Tasi via Unsplash)

Quem acompanha ficção científica já ouviu falar de Hélio-3. Ele é o combustível usado nos quase-mágicos motores Epstein em The Expanse, que abriram o Sistema Solar para a Humanidade. Já na ótima (se você ignorar o dramalhão) For All Mankind, do Apple+, o Hélio-3 é responsável pelo fim do Aquecimento Global, energia barata e limpa e uma melhoria geral na qualidade de vida do planeta.

Dito assim, Hélio-3 está no mesmo nível de Antimatéria, Inobtanium, Dilithium e outros materiais exóticos ou inexistentes, certo? Mais ou menos, mas para entender sua importância, precisamos começar pelo básico.

O que é Hélio-3?

Hélio-3, também representado pelo símbolo 3He, é um isótopo estável do elemento Hélio.

O segundo elemento mais simples, Hélio compõe 24% de todo o Universo, só perdendo para o Hidrogênio. Como todo elemento, Hélio existe na forma de diversos isótopos, variações com o mesmo número de Prótons, mas diferentes números de nêutrons e elétrons.

No caso do Hélio são nove isótopos. A maioria de vida curta. O 10He, por exemplo, tem 2 prótons e 8 nêutrons, mas ele só existe por 260 Yoctosegundos. Um Yoctosegundo equivale a 0.000 000 000 000 000 000 000 001 segundos.

Hélio-3 faz a Rocinante rocinar! (Crédito: Amazon Prime Video)

Dois isótopos são estáveis, 3He e 4He. O Hélio-4 é o mais comum. 99.999863% do Hélio existente na Terra, é Hélio 4. Só 0.000137% são átomos de Hélio-3, que só foi teorizado em 1934 e isolado em 1939.

Hélio tem inúmeras utilidades, ele serve para resfriar máquinas de ressonância magnética, deixar pessoas com voz de advogado, pressurizar tanques de foguetes espaciais e é ótimo para tornar dirigíveis bem menos dramáticos.

De onde vem o Hélio?

A imensa maioria do Hélio do Universo foi criada nos primeiros minutos do Big Bang, mas uma porção considerável vem das estrelas. O Hélio é subproduto da fusão nuclear, quando átomos de Hidrogênio nos núcleos estelares, sob extrema temperatura e pressão, se fundem criando núcleos de Hélio, liberando uma imensa quantidade de energia, boa parte na forma de radiação (isso é importante).

Mesmo assim, o Hélio estelar que havia na Terra se foi faz tempo. Ele é leve demais, flutua para o espaço. O Hélio novo se forma por decaimento radioativo, outros elementos emitem radiação, no caso partículas Alfa, que nada mais são do que... núcleos de Hélio, dois prótons e dois nêutrons.

Estrutura atômica dos dois isótopos mais comuns do Hélio-3 (Crédito: Build an Atom)

Essas partículas acabam roubando elétrons de elementos próximos, e viram felizes e estáveis átomos de Hélio. Outra fonte de Hélio é o... Hidrogênio. No caso Trítio, o isótopo composto de um Próton e 2 Nêutrons. Com uma meia-vida de 12 anos, o átomo de Trítio emite um elétron e um neutrino, um de seus Nêutrons vira um Próton, e o átomo se transmuta, de 3H para 3He.

Qual a diferença entre os Hélios?

O Hélio-3 tem 25% menos massa que o Hélio-4, metade da densidade e seu ponto de ebulição é mais baixo, 3,19 Kelvin, contra 4,23 Kelvin para o Hélio-4, o que torna a separação dos isótopos bem mais “simples”.

Atomicamente eles são bem distintos, a ausência do segundo nêutron faz bastante diferença, e isso é fundamental para o uso futuro do Hélio-3.

Qual o uso futuro do Hélio-3?

Apesar de todas as suas vantagens, a Energia Nuclear por fissão ainda é considerada problemática, com muita radiação indesejada, procedimentos complexos de limpeza e armazenamento de lixo radioativo e uma Chernobyl de vez em quando.

A tecnologia de Fusão Nuclear eliminaria boa parte desses problemas, e por décadas a Humanidade pesquisa reatores de fusão, que são bem mais complicados. A velha piada é que estamos a 20 anos de fusão nuclear em escala comercial, e todo ano essa previsão se renova.

Sendo realista, nenhum dos projetos bilionários em andamento tem esperança de estar produzindo energia em apenas 20 anos, mas ainda assim é uma questão de tempo.

Só que a fusão nuclear não é essa panaceia toda, ela ainda gera bastante radiação na forma de nêutrons, que tendem a penetrar tudo à sua volta, tornando materiais radioativos e coisas vivas, bem, menos vivas.

A reação ideal é a chamada Fusão Aneutrônica, uma reação de fusão que não produz nêutrons. Há vários candidatos, mas o mais promissor é o Hélio-3, que poderá ser usados em reatores de fusão seguros, limpos e com zero dejetos radioativos.

Hélio-3 pode se tornar a base da futura economia lunar. Ou não. (Crédito: SpaceX)

A parte boa: Fusão de Hélio-3 já foi produzida em laboratório, mais de uma vez.

A parte ruim: Fusão de Hélio é algo notoriamente difícil, estrelas comuns não conseguem fundir Hélio, é preciso mais pressão e temperatura do que uma reles estrela consegue produzir. Somente uma gigante vermelha, no final de sua vida, é capaz de fundir Hélio.

Um dos motivos é a chamada Barreira de Coulomb. Temos dois núcleos de carga duplamente positiva (dois Prótons) tentando se fundir. Imagine dois ímãs, sabe quando você tenta fazer os polos iguais se encostarem, e é difícil? Imagina isso em escala atômica.

Nós ainda não conseguimos nem produzir fusão nuclear ordinária, de Hidrogênio, de forma estável. Hélio-3 hoje é o equivalente a alguém se interessar por Silício no tempo de James Watt.

Quão poderoso é o Hélio-3?

3 gramas de 3He, em condições ideais, conseguiriam gerar 344,56 Megawatts-hora. Um reator de fusão de Hélio-3 com capacidade de geração equivalente a uma usina de 1Gigawatt consumiria 52,5 kg de Hélio-3. Por ano.

Onde achamos Hélio-3?

Se você tiver paciência, em qualquer lugar que acha Hélio-4, mas vai demorar. 3He representa 0.000137% do He terrestre, já no Espaço esse número sobe para 0.001%. Na Lua, 3He existe em uma proporção que pode chegar a 15 partes por bilhão nas zonas expostas ao Sol, e até 50 partes por bilhão nas zonas de sombra, como crateras nos polos lunares.

Há quem pense até em minerar Hélio-3 na atmosfera de gigantes gasosos.

Não é cedo demais para pensar em Hélio-3?

Não para a China, que já está mapeando depósitos de Hélio-3 na Lua. Pense assim, quando seria cedo demais para investir em Bitcoin, se você soubesse que o negócio iria estourar?

A um custo atual de US$1.402.946 por kg, o Hélio-3 já é um bom negócio, se você tiver alguns bilhões sobrando pra investir numa usina de produção, dado seu uso em outras atividades, já pensar nele como fonte de energia, aí sim talvez seja cedo, afinal só teremos fusão comercial de Hélio-3 por volta do ano YEAR(NOW())+50.

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