sub-cap-4

A história e os principais fundamentos do hidrogênio

Mon, 08 Aug 2011 20:55:43 +0100

O hidrogênio é o elemento formador do universo, o mais leve, sendo também o mais simples da tabela periódica de Mendeleiev, o que deu origem a todos os outros elementos através das reações de fusão. Antes, porém, é oportuno lembrar alguns conceitos em relação a esse elemento. Neste subcapítulo apresentamos uma introdução histórica do elemento hidrogênio e suas aplicações para a vida diária.

Em 1811, Avogadro estabeleceu a lei dos gases em que o número de moléculas de um gás contido em um mole, 22,4 litros nas condições normais de temperatura e pressão, é 6,022 x 10^23[i]. Assim, a concentração de um gás é sempre dada em percentagem volumétrica, por exemplo, a concentração de CO₂ na atmosfera é de 0,038% ou 380 partes por milhão em volume[ii].

No caso dos elementos da crosta terrestre, os volumes moleculares diferem muito uns dos outros, e mesmo elementos iguais podem assumir uma forma diferente e volumes diferentes, como é o caso do carvão e do diamante. Assim sendo, sua concentração é dada em partes por milhão em massa (peso) em vez de volume.

O hidrogênio pode assumir várias formas moleculares. O núcleo do hidrogênio é constituído de um próton, porém, se a ele se juntar um nêutron, teremos o deutério que é um isótopo do H₂. O deutério é usado para se obter a água pesada utilizada em alguns tipos de reatores atômicos na regulagem das reações. Na água doce comum, um em cada sete mil átomos de H nela contido é um deutério. Em alguns casos, um segundo nêutron pode se unir ao núcleo do hidrogênio. Essa união forma um novo isótopo, o trítio, que é pouco estável, difícil de ser obtido, e tem curta duração: vida média de 12,3 anos.[iii]

Conceitualmente, a fusão de 2 átomos de hidrogênio (na forma do isótopo deutério) daria origem a um outro elemento químico, o hélio, composto de 2 prótons, 2 nêutrons e 2 elétrons. A massa deste novo elemento formado é 1% menor que a dos 2 isótopos de hidrogênio (deutérios) formadores deste. Essa diferença de massa é transformada em energia limpa (pela fusão atômica), sem deixar resíduos, o que não ocorre na reação de fissão atômica, onde o átomo de urânio 235 é fissionado gerando dois novos átomos radioativos que vêm a se tornar os resíduos radioativos dessa reação (lixo atômico). A energia gerada pela fusão atômica (a mesma que ocorre no sol) pode ser avaliada pela lei de Einstein onde:

Energia (E) = massa (M) vezes a velocidade da luz (C) ao quadrado em unidades seria:

E = MC² E (joules ) = M (quilogramas) vezes 299.792.458 ao quadrado, sendo 1 kwh = 3,6 x 10⁶ joules[iv].

4.3.A Estrutura química dos combustíveis

Explicações adicionais serão incluídas no livro final.

[i] MORSELLI, Mario. Amedeo Avogadro, a Scientific Biography. Kluwer, 1984. ISBN 9027716242.

[ii] EWING, Rex A. Hydrogen – Hot Stuff Cool Science 2nd edition: Discover the Future of Energy. PixyJack Press, 2007. ISBN 0977372413

[iii] GORDIN, Michael D. A Well-Ordered Thing: Dmitrii Mendeleev And The Shadow Of The Periodic Table. Basic Books, 2004. ISBN 046502775X

[iv] ISAACSON, Walter. EINSTEIN: His Life and Universe. Simon & Schuster, 2008. ISBN 0743264746.

Aplicações e uso histórico do hidrogênio

Mon, 08 Aug 2011 20:58:39 +0100

Alguns fatos se tornaram marcantes e lendários na história da aplicação do hidrogênio e mostram como foi crescendo o interesse por ele. Em Paris, no dia 27 de agosto de 1783, Jacques Charles realizou uma façanha espantosa. Ele pairou a 915 metros de altura num balão de sacos de seda revestidos de borracha, cheios de hidrogênio gasoso, menos denso que o ar. Camponeses apavorados destruíram o balão tão logo ele retornou ao solo, mas Charles deu início a uma busca que continua até hoje: utilizar, no transporte, o elemento mais leve do Universo que é o hidrogênio.

No início do século XX, o hidrogênio, já produzido em escala industrial, promoveu um grande avanço do transporte aéreo nos dirigíveis como os Zeppelins. Quando usados como gás de sustentação, estes dirigíveis desbravaram as primeiras rotas de grandes distâncias intercontinentais, inclusive a primeira volta ao mundo. Para tal evolução ocorrer, foi preciso que também houvesse uma evolução nos materiais, na navegabilidade e nas estruturas aeroportuárias para o embarque e desembarque dos passageiros, abrindo assim o espaço que viria a ser ocupado mais tarde pelos aviões.

Com o fim da era dos dirigíveis, a aplicação do hidrogênio ficou restrita ao uso industrial, cuja demanda para a fabricação de produtos químicos e o uso em refinarias, entre outras finalidades, cresceu no século XX, nos anos 1950. Nesse mesmo século, surgiu a bomba de hidrogênio que se tornou o maior artefato explosivo que o homem já produziu, sendo que a maior delas chegou a ter uma capacidade destrutiva 2.500 vezes maior do que a bomba atômica de Hiroxima, como veremos no subcapítulo 4.5, ao descrevermos as experiências dos cientistas de Los Alamos. Essa reação provinha do produto da reação da fusão do hidrogênio (H) transformado em Hélio (He), a exemplo das reações que ocorrem no Sol, como foi mencionado no início deste capítulo.

Desde os anos 1970 e 1980, um esforço monumental tem sido feito na área da pesquisa e do desenvolvimento (P&D) para obtenção e geração de energias não poluidoras. Como foi mencionado no capítulo 2.2, tal esforço foi iniciado devido aos choques econômicos provindos dos embargos no fornecimento de petróleo ao mundo e à eventual tomada de consciência da preservação do meio ambiente, impulsionada pelos tratados oriundos das conferências de Estocolmo, em 1972, do Rio de Janeiro, em 1992, e do Protocolo de Quioto, que foi assinado em 1997, no Japão, e ratificado em 2004 com a participação da Rússia[1], observando-se os seguintes valores da matriz energética mundial.

4.4. A) Matriz Energética Mundial

Fonte: Ministério das Minas e Energia, relatório de 2009.

4.4. B) Matriz Energética Brasileira

Fonte: Ministério das Minas e Energia, relatório de 2009.

[1] FUJIHARA, Marco Antonio; BATISTA, Eliezer; CAVALCANTI, Roberto B. Caminhos da Sustentabilidade no Brasil. Terra das Artes Editions, c2005. ISBN 8587168053.

Desdobramentos com origem na Segunda Guerra Mundial

Mon, 08 Aug 2011 20:57:44 +0100

Como foi descrito nos capítulos 2.4 e 3, a falta de combustíveis na Alemanha durante a Segunda Guerra Mundial foi um dos percussores do uso do etanol em larga escala. Durante esse mesmo período, os Estados Unidos entraram em uma nova era de renascença tecnológica com a chegada de diversos cientistas europeus, que conseguiram migrar de seus países invadidos, tentando se refugiar dos horrores do regime nazista. Neste subcapítulo, descreveremos com mais detalhes como foi que tais cientistas e acadêmicos acabaram dando origem a uma nova geração de centros de excelência em pesquisa científica aplicada, como o laboratório da Bell Labs e o time de Los Alamos, que desenvolveu tanto o Manhattam Project quanto a base de várias invenções tecnológicas que mudaram o mundo.

Dentre o grupo de imigrantes de peso que ingressaram no mundo acadêmico, vários deles contribuíram para as inovações que criaram inúmeras vantagens competitivas para a comunidade científica dos Estados Unidos, entre eles os físicos Albert Einstein, Niels Bohr, Enrico Fermi, James Franck, Maier-Leibnitz, Oppenheimer e Otto Stern.

James Franck, junto com Gustav Ludwing Hertz, recebeu o Prêmio Nobel de Física por seus estudos que estabeleciam as leis que atuam no impacto de elétrons sobre os átomos. Foi diretor do Instituto de Física Experimental II da Universidade de Göttingen, onde se revelou um tutor inspirador e talentoso, capaz de reunir em torno de si um círculo de estudantes e colaboradores de peso como Blackett, Condon, Kopfermann, Kroebel, Maier-Leibnitz, Mayer Oppenheimer, e Rabinovich, para mencionar alguns deles. Esta lista exclusiva de mentes brilhantes, anos mais tarde, viria a ser conhecida em seus próprios campos.

Desta lista, Niels Bohr (Prêmio Nobel de Física em 1922), Enrico Fermi (Prêmio Nobel de Física em 1938), Richard Feynman e Hans Bethe também merecem um lugar de destaque, devido a suas demonstrações da existência de novos elementos radioativos produzidos por irradiação de nêutrons e pela descoberta de reações nucleares produzidas por nêutrons lentos. Neste time ilustre de primeira e segunda gerações de imigrantes europeus ,também destaca-se a cientista Maria Goeppert-Mayer (Prêmio Nobel de Física em 1963), que em 1930 recebeu seu doutorado em física teórica e cuja banca era composta por três eventuais ganhadores do prêmio Nobel. Maria se casou com Joseph Edward Mayer, um americano recipiente da bolsa Rockefeller que foi trabalhar com James Franck, na mesma época em que ela estava concluindo seu doutorado. Com o advento da guerra, Maria e seu marido se mudaram para Baltimore, em 1933, após o regime nazista ter assumido o poder na Alemanha. Mayer tornou-se professor da Universidade John Hopkins[i]. Nessa época, ela começou a trabalhar com a cor de moléculas orgânicas. Em 1939 foi transferida para a Universidade de Columbia e foi professora no Sarah Lawrence College por um ano. Trabalhou, ainda, no Laboratório SAM, dedicado à separação de isótopos de urânio, com Harold Urey como diretor.

O Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, foi fundado durante a Segunda Guerra Mundial como um centro secreto para coordenar a investigação científica do Projeto Manhattan, um projeto que daria início ao desenvolvimento das primeiras armas nucleares[ii], uma vez que foi elaborado como um projeto do tipo força-tarefa criado para o desenvolvimento da bomba atômica[iii]. Até hoje, Los Alamos é um centro de pesquisas e novas tecnologias. Em 1942, o laboratório ficou oficialmente conhecido como Site Y, devido às dificuldades encontradas na realização de estudos preliminares em armas nucleares dentro das universidades espalhadas por todo o país. O primeiro diretor científico do Projeto Manhattan foi Robert Oppenheimer, que passou muito tempo de sua juventude na área do Novo México, e acabou fazendo o reconhecimento da área juntamente com o general Leslie Groves e o físico Ernest Lawrence. Los Alamos é considerado um dos laboratórios mais importantes dos Estados Unidos, tanto para a pesquisa científica confidencial quanto para a pesquisa aberta. O laboratório foi imortalizado em diversos livros autobiográficos e técnicos, tanto sérios quanto tragicômicos como o O Senhor está Brincando, Sr. Feynman?[iv].

Durante a década de 1950, Hans Bethe também desempenhou um papel importante no desenvolvimento das bombas de hidrogênio maiores, apesar de ter se juntado ao projeto de Los Alamos com a esperança de provar que uma bomba maior não podia ser criada. Ele acabou se surpreendendo com a perspicácia e a capacidade de seu time. O trabalho de Bethe, em Los Alamos, incluía calcular a massa crítica de urânio-235 e a multiplicação da fissão nuclear de uma bomba atômica explodindo. Junto com Richard Feynman, ele desenvolveu uma fórmula para o cálculo do rendimento explosivo da bomba[i]. Depois de novembro de 1943, quando o laboratório tinha sido reorientado para resolver o problema de implosão da bomba de plutônio, Bethe passou grande parte de seu tempo estudando os aspectos hidrodinâmicos da implosão, um trabalho que continuou em 1944. Em 1945, ele trabalhou no iniciador de nêutrons e, mais tarde, na propagação da radiação de uma bomba atômica explodindo.

Durante o teste Trinity[1], onde a primeira bomba atômica foi detonada, no deserto do Novo México, em 16 de julho de 1945, a preocupação imediata de Bethe foi com o funcionamento eficaz da bomba, até que se juntou a Albert Einstein, na Comissão de Emergência de Cientistas Atômicos, contra os testes nucleares e a corrida armamentista nuclear. Ele influenciou a Casa Branca para assinar a proibição de testes nucleares em 1963 e 1972.

Em Los Alamos, apesar de inovadora, a rotina também era enervante. O local era considerado supersecreto e o gerenciamento operacional era realizado por militares, mas a diretoria científica era ocupada por civis. O primeiro grande obstáculo científico do projeto foi resolvido na Universidade de Chicago, onde uma equipe liderada por Enrico Fermi iniciou a primeira reação artificial em cadeia da sustentação nuclear, em um reator experimental chamado Chicago Pile-1[ii]. Enrico Fermi foi um dos cientistas cujos descobrimentos mais revolucionaram e continuaram revolucionando o mundo moderno. O laboratório FermiLab de Batavia (a 58 Km de Chicago) foi nomeado em sua homenagem[iii]. Como veremos no capítulo 10.4 alguns conceitos desenvolvidos por Enrico Fermi relacionados à fusão energética estão sendo testados até hoje no FermiLab, e os resultados desses testes alinhados aos dados, que também estão sendo testados pelo CERN na Suíça, detêm as maiores possibilidades de inovação tecnológica dentro da área de fusão, que são extremamente promissoras (no longo prazo) para o futuro energético mais limpo de nosso planeta[iv].

Fermi recebeu o Prêmio Nobel em 1938 pela “descoberta de novos elementos radioativos produzidos através da irradiação de nêutrons e pela descoberta de reações nucleares provocada por nêutrons lentos”[v]. Por causa de sua crescente preocupação com a vida sob o regime fascista italiano, Fermi e sua família aproveitaram a oportunidade oferecida por sua viagem à Suécia para a cerimônia de premiação do Prêmio Nobel para sair da Itália definitivamente. Eles vieram para os Estados Unidos, onde Fermi aceitou uma posição como professor de Física na Universidade de Columbia[vi].

Durante os últimos anos de sua vida, Fermi ocupou-se com o problema da origem misteriosa dos raios cósmicos. Assim, desenvolveu uma teoria segundo a qual um campo magnético universal, composto pelas energias cósmicas fantásticas presentes nas partículas de raios, atuaria como um acelerador gigante. Foi graças a esta geração de cientistas e professores que os estudos sobre as possibilidades energéticas do hidrogênio se desenvolveram.

[1] Nome dado a um projeto de implosão.

[i] FEYNMAN, Richard P.; WELTON, T. A. Neutron Diffusion in a Space Lattice of Fissionable and Absorbing Materials. Los Alamos Scientific Laboratory, Atomic Energy Commission. 1946.http://www.osti.gov/cgibin/rd_accomplishments/display_biblio.cgi?id=ACC0106&numPages=18&fp=N

[ii] FERMI et alli. “Artificial Radioactivity Produced by Neutron Bombardment”, Proc. Roy. Soc., 1934 and 1935; “On the Absorption and Diffusion of Slow Neutrons”. Phys. Rev., 1936. The theoretical problems connected with the neutron are discussed by Fermi in the paper “Sul Moto dei Neutroni Lenti", Ricerca Scientifica, 1936.

[iii] FERMI, Enrico. “Tentativo di una teoria dei raggi SS”. Ricerca Scientifica, 1933 (também Z. Phys., 1934). Propõe uma teoria da emissão de raios-SS, com base na hipótese, a primeira proposta por Pauli, da existência do neutrino.

[iv] FermiLab - http://www.fnal.gov/pub/about/whatis/history.html

[v] Nobel Prize http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1938/fermi-bio.html

[vi] Enrico Fermi http://www.fnal.gov/pub/about/whatis/enricofermi.html

[i] Perfil dos vencedores do Prêmio Nobel de Física http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1925/franck-bio.html

[ii] "The Manhattan Project". In: New York Times, 2007. http://www.nytimes.com/interactive/2007/10/30/science/20071030_MANHATTAN_GRAPHIC.html

[iii] A história completa do Projeto Manhattan de Richard Rhodes, The Making of the Atomic Bomb (Simon & Schuster, 1986).

[iv] Cujo autor foi o próprio Feyman, que adotou uma narrativa leve, porém muito ousada, por ser às vezes trágica e, em alguns casos, hilariante, em uma época onde cientistas eram considerados pessoas sisudas e inacessíveis.

O surgimento do hidrogênio como combustível para automóveis

Mon, 08 Aug 2011 20:35:14 +0100

O gás de hidrogênio puro (H) é muito raro na atmosfera da Terra devido ao seu peso leve, o que possibilita que escape da gravidade da Terra mais facilmente que os gases mais pesados. Entretanto, o hidrogênio, na forma quimicamente combinada, é o terceiro elemento mais abundante na superfície da Terra.

Como o hidrogênio acabou sendo considerado um combustível para uso em carros?

O hidrogênio de utilização prática tem sido experimentado com o objetivo de ser o combustível do futuro, como já previra sir John Sanderson Haldane, em 1923, ao ganhar o prêmio da Universidade de Cambridge. Entretanto, produzir, armazenar, transportar e distribuir tal gás não é uma tarefa simples e, muito menos, com custo que possibilite seu emprego na maioria dos segmentos que poderiam fazer seu uso intensivo em transportes e geração de energia elétrica.

O transporte terrestre que utiliza carros, ônibus e caminhões absorve em torno de 90% dos combustíveis derivados do petróleo e desta fatia, cerca de 90 % (3,5 bilhões litros por dia), ou seja, mais da metade, fica por conta do automóvel. Não caberia aqui ser feita uma análise de como é usado o automóvel em função dos engarrafamentos nas grandes cidades e do uso individual sem compartilhamento, mas sim uma possível solução que será descrita mais adiante, ainda neste capítulo.

Cabe analisarmos o uso do automóvel como o meio de transporte que consome mais energia que a geração de energia elétrica do mundo. Eletricidade esta que fornece não só a iluminação das nossas casas, como a iluminação pública utilizada no metrô, nos trens elétricos, na produção da indústria, enfim em uma infinidade de usos de alto valor agregado que corresponde a muito menos do que a energia que o uso do automóvel representa[i].

[i] EIA – http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/2008forms/consolidate_923.html