Quais os empecilhos para se transformar um acelerador de partículas em meio de propulsão para naves espaciais?

A propulsão de qualquer foguete, incluindo naves espaciais, baseia-se no princípio de conservação de momento. Em um foguete comum, os gases gerados por reações químicas no combustível sólido ou líquido, são expelidos em alta velocidade pela tubeira (ou bocal) de exaustão do veículo, produzindo uma força de reação sobre ele denominada empuxo, que o propele no sentido contrario ao da exaustão do gás propelente. A Força de empuxo é proporcional ao produto da velocidade com que o gás propelente sai da tubeira pela taxa de exaustão. Portanto, para conseguir grande aceleração do veículo, é possível utilizar sistemas nos quais a taxa de exaustão seja alta, o que significa uma rápida queima do combustível, ou nos quais o gás propelente saia com velocidades altíssimas.

Naturalmente, os aceleradores permitem acelerar prótons a grandes energias, de forma que se poderia pensar que, utilizando um acelerador em foguete, seria possível lançá-lo no espaço com uma alta taxa de exaustão, produzindo altos valores de empuxo. No entanto, isso não é viável por uma razão fundamental: é que, ao expelir partículas carregadas no espaço, a espaçonave, como é um corpo isolado, ficaria altamente carregada com a carga contrária, atraindo de volta os íons do “propelente” e impedindo sua aceleração. Alem disso, os aceleradores são dispositivos de grandes proporções e peso, o que deve ser evitado em um veículo espacial.

Uma solução parecida com esse esquema é chamada propulsão iônica. Em vez de se utilizar um acelerador, se produz um gás ionizado, ou plasma, dentro de uma câmara no veículo espacial. Os íons do plasma são extraídos e lançados no espaço através de grades com polarização eletrostática, que repele elétrons e acelera íons. Para se evitar que o veiculo fique carregado negativamente, no seu exterior pode ser colocado um filamento que emite elétrons no espaço. Assim, a carga total emitida pela espaçonave é nula e ela não se carrega. Esse sistema já está sendo utilizado para o controle de órbita de satélites artificiais e está sendo estudada pela Nasa, a Agência Espacial Norte-Americana, para ser o propulsor de espaçonaves para viagens tripuladas a Marte.

Ricardo Galvão, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas.

Ciência Hoje, 12/ 2006.

Quais as evidências que podem garantir que um país está enriquecendo urânio e desenvolvendo armas nucleares?

É difícil notar essas evidências se o país desenvolve armas nucleares secretamente, mas sabemos que, para conseguir isso, um pré-requisito que o país precisa ter é o domínio completo da tecnologia nuclear. Entretanto, quando um tratado internacional é assinado, tendo a Organizações das Nações Unidas (ONU) como pano de fundo, o país está se comprometendo a não produzir armar nucleares. É importante lembrar, contudo, que produzir uma bomba atômica não significa produzir uma arma nuclear. Fazer uma bomba pode ser fácil, mas não é fácil fazer uma arma de destruição em massa, porque precisa ser bastante pequena e leve, para que possa ser lançada por mísseis. Quando o país começa a testar mísseis, ele desperta a preocupação dos outros em relação ao desenvolvimento de armas nucleares e isso pode vir a ser outra evidência.

A demonstração iraniana no domínio das tecnologias nucleares, e de mísseis, tem certa semelhança às demonstrações da Índia e do Paquistão, ao realizarem seus testes nucleares. Atualmente, o único país que mantém uma política de ambiguidade sobre sua capacidade nuclear seria Israel, apesar da forte suspeita internacional sobre a existência de seu arsenal nuclear. O Irã age de maneira explícita e convoca a imprensa para anunciar seus feitos. A demonstração do seu potencial nuclear não seria apenas uma encenação, mas um jogo político para que, por meio do temor de que desenvolva um arsenal nuclear, tenha condições de diálogo no contexto do tratado de não proliferação nuclear (TNP) da ONU.

Fernando de Souza Barros, Instituto de Física (Professor Emérito), Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Revista Ciência Hoje, v. 46, n. 272.

Por que os raios não são captados e armazenados em grandes capacitores de modo a se aproveitar sua energia?

Os limites tecnológicos atuais não permitem tal façanha. O problema de acumular de forma prática a carga de um raio (comumente de 16 coulombs, correspondente a um número de elétrons igual a 1 seguido de 20 zeros) em capacitores está na baixa rigidez dielétrica dos materiais isolantes usados na fabricação do equipamento. Hoje esses conjuntos de condutores elétricos separados por isoladores não são capazes de suportar altas tensões e ao mesmo tempo acumular tamanha quantidade de carga elétrica.

Os ultracapacitores ou supercapacitores comercializados atualmente – feitos de nanotubos de carbono e polímero, ou aerogéis, e que chegam a valores incríveis de capacitância, de até 5 mil faradays – podem muito bem acumular uma carga comparável à de um raio, mas suportam apenas baixas tensões, da ordem de alguns volts. Um supercapacitor de 5 mil Faradays, por exemplo, é capaz de acumular a carga de 5 mil coulombs, porém sob o efeito de uma voltagem de apenas 1 volt. Os supercapacitores em seus terminais tensões tão elevadas como as que acompanham os raios (entre 10 milhões e 1 bilhão de volts).

Esse é um problema que a ciência dos novos matérias terá que resolver para no futuro. Enquanto isso, o que se tem feito é associar esses supercapacitores em serie, de modo que a soma de suas voltagem total equivalente àquela associada a um raio. Mas há limitações para esse uso. Além de a capacitância do sistema como um todo diminuir proporcionalmente ao número de capacitores em série, os supercapacitores, vale lembra, têm dois terminais: um positivo e um negativo. Como os raios são imprevisíveis quanto à sua energia, ao local de queda e, principalmente, à sua polaridade (que pode ser positiva ou negativa), caso a associação formada pelos supercapacitores se polarize de forma errada, ela estourará, assim como o capacitor eletrolítico, que também tem terminais polarizados.

Gerson Paiva, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF).

Ciência Hoje, v.44, n. 260.

Por que levamos Choque ao tocar em objetos sem Corrente Elétrica?

O choque é o conjunto de sensações causadas pela passagem de corrente elétrica pelo nosso corpo. Ele ocorre quando tocamos, ao mesmo tempo, em dois objetos entre os quais existia uma diferença de potencial elétrico. Esse potencial resulta da presença de cargas elétricas nos objetos – muitas cargas positivas e poucas cargas negativas, por exemplo, representam um potencial muito positivo, que pode chegar a milhares de volts. Os dois objetos podem perfeitamente ser isolantes (que não conduzem corrente elétrica), mas se entre ele houver uma diferença de potencial elétrico e ambos forem conectados por um condutor, como o corpo humano, irá ocorrer a passagem de corrente, causando a sensação de choque.

Dois isolantes podem ter potenciais elétricos desiguais se um deles contiver muitas cargas negativas e o outro muitas cargas positivas ou se um tiver muitas cargas (positivas ou negativas) e o outro poucas cargas (positivas ou negativas).

Colocando um condutor entre eles, os potenciais elétricos tendem a se tornar iguais, por isso as cargas fluem de um isolante para outro. Essa parte do fenômeno é bem conhecida e fácil de demonstra experimentalmente. Há outra parte muito pouco conhecida: a natureza das cargas elétricas em um isolante eletrizado. As cargas são de elétron (partículas negativas), de íons (átomos ou moléculas eletricamente carregados positiva ou negativamente) ou de quê? Um trabalho recentíssimo (Gouveia ET AL., J. Phys. Chem B, 2005) mostrou que cargas originadas na superfície do filme de sílica – um material isolante – formado sobre uma lâmina de silício são iônicas: as negativas (formadas mais facilmente) são íons silicato e as positivas, íons hidroxônio. Outra descoberta desse mesmo trabalho foi que todos os íons da superfície de sílica eletrizada resultam da quimissorção da água, isto é, da ligação das moléculas de vapor d’ água à sílica.

Fernando Galembeck, Universidade Estadual de Campinas.

Ciência Hoje,v.38, n. 227.

De onde surge o primeiro nêutron que dá origem à reação em cadeia da bomba atômica?

A bomba atômica baseada na fissão nuclear usa o mecanismo da quebra em cadeia dos núcleos de certos elementos químicos, provocada pelo choque de um nêutron vindo de fora. Em geral, os elementos ‘fissionáveis’ emitem alguns nêutrons nos instante da fissão, e se a concentração desses elementos for suficientemente alta, os nêutrons emitidos pelos primeiros núcleos ‘quebrados’ causarão a fissão de outros átomos e a emissão de mais nêutrons, e assim por diante, iniciando um processo em cadeia. Isso não ocorrerá, porém, se a concentração de elementos fissionáveis for baixa; os nêutrons emitidos nas primeiras fissões não provocarão outras de maneira eficiente, impedindo a reação em cadeia.

Portanto, para que ocorra uma explosão nuclear, é necessária, em primeiro lugar, uma concentração suficiente de matéria fissionável (urânio ou plutônio, elementos com grande número de prótons e nêutrons em seu núcleo) – é a chamada ‘densidade crítica’. No caso de uma bomba, essa concentração deve ficar acima da densidade crítica. Isso é obtido pela detonação de algum material explosivo em volta da matéria fissionável. A onda de choque vinda de todos os lados comprime essa matéria (ou seja, provoca sua implosão), resultando em um estado de alta concentração, onde a densidade estará acima do valor crítico.

Atingir o estado de alta concentração da matéria fissionável, porém, não basta para desencadear a fissão. Para isso, é necessário injetar os primeiros nêutrons, que devem ser criados por outros meios – algo que não é muito difícil. Os núcleos atômicos são formados por prótons e nêutrons e, quando dois núcleos colidem, essas partículas podem ser rearranjadas para compor outros, emitindo os nêutrons que sobram. Embora a probabilidade seja pequena, podem existir nêutrons até na atmosfera, devido à colisão de raios cósmicos com núcleos de elementos presentes no ar. No caso de uma bomba atômica, porém, é preciso gerar uma quantidade suficiente de nêutrons exatamente no instante em que ocorre a implosão da matéria fissionável para obter maior eficiência na explosão.

Nas bombas atômicas da época da Segunda Guerra Mundial eram usados, para produzir nêutrons, os elementos polônios (Po-210) e berílio (Be-9). O polônio emite uma partícula alfa que bombardeia o berílio e é absorvida por ele, provocando a emissão de nêutrons. Para que esse mecanismos atue como um gatilho para a bomba, é preciso isolar o polônio e o berílio (colocando entre eles material que absorve a partícula alfa, como uma folha de ouro) e, em determinado instante, retirar essa separação.

O método mais moderno usa um pequeno acelerador de íons para gerar um pulso de nêutrons de forma controlada. De início, cria-se uma fonte de íons de deutério (átomos de hidrogênio com um nêutron, carregados eletricamente) e estes são acelerados – aplicando-se alta tensão – dentro de um tubo de vácuo em direção a um alvo de metal contento trítio (átomo de hidrogênio com dois nêutrons). A tensão aplicada aos íons de deutério faz com que eles colidam com o alvo, pois a energia é superior à necessária para vencer a força repulsiva entre o dêuteron (núcleo do deutério) e o trítio. Ao se tocarem, os dois núcleos se fundem e emitem um nêutron com energia de cerca de 14 milhões de elétrons-volts (milhões de vezes maior que em reações químicas usuais). Esse nêutron é capaz de desencadear a fissão do urânio e do plutônio, desde que a concentração destes seja suficiente. Esse método permite sincronizar com precisão o gatilho da bomba e a implosão do material fissionável, uma dificuldade do método usado nas primeiras bombas.

Takeshi Kodama, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Ciência Hoje, v. 39, n. 231.

Qual o Conceito Físico de um Freio com Sistema ABS?

O sistema de freio ABS(do inglês, Anti-Lock Braking System) baseia-se no conceito físico de atrito estático e atrito cinético. A física mostra que a força de atrito estático é maior que a força de atrito cinética. Isso significa que é preciso, por exemplo, aplicar uma força maior para começar a “arrastar uma mesa” do que para mantê-la em movimento (Faça o teste!).

Isso ocorre porque, antes de a mesa começar a se movimentar, a velocidade entre a superfície de contato (os pés da mesa) e o solo é nula, e a força de atrito entre elas é a estática. Quando a mesa começa a se mover, a velocidade entre as superfícies de contato deixa de ser nula e, consequentemente, a força de atrito entre elas passa a ser cinética.

O pneu de um veiculo em movimento sobre uma pista gira sem deslizar. Desta forma, a região do pneu em contato com o solo possui velocidade nula, e a força de atrito entre o pneu e o solo é a estática. Em uma frenagem brusca com um sistema de freios convencional, o pneu pode ser travado pelo freio e começar a deslizar. Assim, a força de atrito estática entre o pneu e o solo se torna uma força de atrito cinética, fazendo com que o veiculo não responda mais a uma tentativa de mudança de trajetória, por exemplo.

O sistema de freio com ABS mede constantemente a velocidade das rodas do veiculo durante a frenagem, reduzindo a aplicação do freio na roda que apresentar travamento. Tal ação maximiza a força de frenagem por garantir que a força de atrito entre o pneu e o solo se mantém na condição estática.

Fabrício Pujatti, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais.

Fonte: Revista Ciência Hoje,  V. 43, n. 258.

Tem alguma aplicação prática a afirmação da teoria da relatividade de que, para um objeto que se desloque em velocidade próxima à da luz, o tempo passa mais devagar?

Sim. Uma aplicação prática é, por exemplo, o sistema de posicionamento global (GPS, na sigla em inglês). O GPS é uma aplicação prática porque os efeitos dessa dilatação do tempo têm de ser levados em conta e corrigidos para permitir a localização de uma pessoa na superfície da Terra com uma precisão de poucos metros. É um equipamento acessível a qualquer cidadão e está presente em muitos tipos de telefones celulares.

Uma consequência dessa dilatação temporal está na radiação invisível, oriunda dos raios cósmicos, que nos bombardeia o tempo todo. Grande parte dessa radiação é composta por múons, partículas com propriedades muitos especiais. A vida em média de um múon é de 2.2 microssegundos. Neste tempo, viajando à velocidade da luz, ele deveria percorrer cerca de 660m. No entanto, essa partícula, criada no alto da atmosfera, viaja poucas dezenas de quilômetros antes de se desfazer (em um elétron e dois nêutrons).

A resolução desse aparente paradoxo está na diferença entre o relógio do observador na Terra e o da partícula. Do ponto de vista do observador, o tempo de vida média da partícula é um, mas do “ponto de vista” da partícula é outro, já que, devido à sua velocidade de deslocamento, esse tempo está bastante dilatado. Ou seja, o que nós vemos como algumas dezenas de quilômetros equivale, do “ponto de vista” da partícula, a apenas algumas centenas de metros.

Ronald Cintra Shellard - Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

Fonte: Ciência Hoje, n. 266.