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Descoberto meio de extrair energia atômica para uso em baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/07/2018

Ilustração do efeito ENCE - excitação nuclear por captura de elétrons. Um íon com um único elétron em órbita captura um elétron incidente em uma órbita vazia. Sob as condições adequadas, esta captura transfere uma pequena quantidade de energia para o núcleo, que emite posteriormente uma quantidade muito maior de energia na forma de raios gama. [Imagem: James J. Carroll/William Parks/Eric Proctor]

Excitação nuclear por captura de elétrons

Depois de décadas de trabalho, finalmente se comprovou na prática que existe de fato uma forma mais amena e mais segura para extrair energia do núcleo dos átomos.

Talvez não dê para substituir as atuais centrais nucleares por algo menos arriscado, mas dá para pensar em novos tipos de baterias atômicas eficientes e seguras.

No início deste ano, Christopher Chiara e uma equipe da Austrália, EUA e Polônia demonstrou na prática uma teoria proposta há mais de 40 anos, que propunha que radioisótopos podem armazenar energia em materiais não fissionáveis - uma energia nuclear sem fissão nuclear.

Explorando uma classe não química de materiais, eles usaram um isótopo específico de molibdênio para demonstrar que a energia pode ser armazenada em uma forma excitada desses núcleos, energização esta que dura cerca de sete horas, e que a energia pode ser liberada em uma escala de tempo muito menor por um novo processo envolvendo as "conchas" atômicas em torno desse núcleo - uma outra maneira de se referir aos níveis de energia dos orbitais eletrônicos.

Criando um "buraco" nessa concha atômica, um elétron livre que cai na concha transfere a quantidade exata de energia - uma quantidade muito pequena - para o núcleo e, como um interruptor, causa uma liberação controlada da energia maior armazenada.

O processo ficou conhecido como ENCE - "excitação nuclear por captura de elétrons" (ou NEEC: nuclear excitation by electron capture)

A equipe suíça estabeleceu como usar pulsos de raios X para gerar os elétrons capazes de extrair a energia dos núcleos não fissionáveis. [Imagem: G. M. Vanacore et al. - 10.1038/s41467-018-05021-x]

Disparos de elétrons para gerar energia

Agora, Giovanni Vanacore e seus colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, desvendaram a mecânica do processo em uma escala temporal de attossegundos - 1 attossegundo equivale a 10^-18segundo.

Ainda que esse experimento por si só seja inédito, a equipe definiu como criar flashes de elétrons em intervalos de tempo ainda menores, de zeptossegundos (10^-21 segundos), usando tecnologia já existente, para aumentar o rendimento energético das reações nucleares e extrair sua energia.

"Em termos ideais, o que se quer fazer é induzir instabilidades em um núcleo de outra forma estável ou metaestável para provocar decaimentos produtores de energia, ou para gerar radiação," explicou Fabrizio Carbone, membro da equipe. "No entanto, o acesso aos núcleos é difícil e energeticamente caro por causa da camada protetora de elétrons em torno dele".

Os pulsos de zeptossegundos, contudo, resolvem essa dificuldade, estabelecendo um modo de explorar e coletar as várias ordens de grandeza de energia presente no núcleo de um átomo através do controle coerente do efeito ENCE (excitação nuclear por captura de elétrons).

"Nosso esquema de controle coerente com pulsos de elétrons ultracurtos pode oferecer uma nova perspectiva para a manipulação das reações nucleares com potenciais implicações em vários campos, da física fundamental às aplicações relacionadas à energia," concluiu a equipe em seu artigo.

Bibliografia:

Attosecond coherent control of free-electron wave functions using semi-infinite light fields
Giovanni Maria Vanacore, I. Madan, G. Berruto, K. Wang, E. Pomarico, R. J. Lamb, D. McGrouther, I. Kaminer, B. Barwick, F. Javier García de Abajo, F. Carbone
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 2694
DOI: 10.1038/s41467-018-05021-x

Isomer depletion as experimental evidence of nuclear excitation by electron capture
Christopher J. Chiara, James J. Carroll, M. P. Carpenter, J. P. Greene, D. J. Hartley, R. V. F. Janssens, G. J. Lane, Jarrod C. Marsh, D. A. Matters, M. Polasik, J. Rzadkiewicz, D. Seweryniak, S. Zhu, S. Bottoni, A. B. Hayes, S. A. Karamian
Nature
Vol.: 554, pages 216-218
DOI: 10.1038/nature25483