Monopolos magnéticos: transporte e armazenamento de energia sem perdas

Aqui, a Dra. Maria Cristina Diamantini e o Dr. Carlo A. Trugenberger oferecem uma explicação de como a mecânica quântica pode resolver o problema de transporte e armazenamento de energia sem perdas usando monopolos magnéticos

O desperdício de energia pelo calor é um dos principais problemas que assola nossa sociedade de tecnologia avançada. Uma enorme quantidade de 8-15% da energia é perdida entre a planta e o consumidor e 5% disso somente é devido a perdas nas linhas de transmissão. Some-se às enormes perdas de calor pelos servidores em nuvem e data centers dos gigantes da tecnologia e os números se tornam preocupantes.

Todo esse calor é causado por elétrons constantemente chocando-se uns com os outros quando lançam linhas de energia elétrica. E esse movimento caótico é, infelizmente, inevitável em materiais condutores típicos. Apenas a natureza milagrosa da mecânica quântica pode vir em seu socorro. Em alguns materiais, e sob certas condições, todos os elétrons disponíveis podem ser forçados a um estado quântico único, chamado condensado de Bose, no qual perdem seu caráter individual.

Nesse estado, eles não podem mais se espalhar, pois, se pudessem, seria possível contá-los. Além disso, os campos magnéticos são expelidos neste estado, pois podem ser facilmente filtrados por correntes circulares sem dissipação.

Supercondutores: benefícios e desafios

Nestes chamados “supercondutores”, as correntes elétricas podem fluir sem resistência. Com linhas supercondutoras, poderíamos produzir energia por turbinas no ventoso Mar do Norte ou por painéis solares no ensolarado Saara e fornecê-la sem perdas em Nova York, Paris ou Xangai.

Infelizmente, supercondutores típicos operam em temperaturas extremamente baixas, de modo que a energia necessária para resfriá-los compensa amplamente os ganhos na dissipação de calor. Isso ocorre porque os elétrons estão sujeitos a uma repulsão mecânica quântica que os faz se evitarem. Antes que eles possam se condensar no estado supercondutor, eles precisam ser emparelhados em dupletos sem repulsão.

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Em supercondutores padrão, o potencial de ligação é muito fraco, de modo que flutuações térmicas mínimas destroem os pares e levam à perda de supercondutividade. Desde 1986, no entanto, uma nova classe de materiais cerâmicos é conhecida, na qual a supercondutividade sobrevive até temperaturas acima de 100 graus K. Nesses materiais chamados de “alto Tc”, a interação de emparelhamento é muito mais forte, embora ninguém saiba ainda com certeza como isso acontece. Embora essa descoberta seja extremamente promissora, as temperaturas necessárias ainda são muito baixas para aplicações comerciais. Para progredir, é necessário um avanço fundamental na compreensão teórica do mecanismo de emparelhamento.

Armazenamento de energia: como fazer superinsuladores?

Mesmo que o transporte de energia sem perdas se torne possível, o que pode ser feito se a oferta exceder a demanda? Afinal, não podemos impedir que o vento sopre no Mar do Norte, porque é noite em Nova York. Claro, parte da energia pode ser redirecionada para onde a demanda é alta. Seria desejável, porém, armazenar o restante em baterias para uso posterior. O problema é que mesmo as melhores baterias vazam energia por autodescarga, um efeito que não é desprezível (baterias de níquel perdem 10-15% de sua energia armazenada por mês). Para resolver esse problema de armazenamento de energia, precisaríamos do oposto exato de um supercondutor, um “superinsulador” que retém carga para sempre, pois sua resistência elétrica é infinita e nenhuma carga pode passar por ele.

Previmos a existência exatamente desses materiais superisolantes em 1996. Desde então, eles foram descobertos experimentalmente, embora, infelizmente, operem em temperaturas ainda mais baixas, na faixa das dezenas de mK por enquanto. Nos superinsuladores, são os campos elétricos que são expelidos, e não os magnéticos, uma vez que nenhuma carga elétrica pode existir dentro deles. Assim, pareceria que os superinsuladores são condensados ​​de Bose de “cargas magnéticas”.

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Mecânica quântica e monopólos magnéticos

Mas como isso é possível? Os cursos de física elementar ajudam muito a ensinar aos alunos que, embora cargas elétricas únicas sejam abundantes na vida cotidiana, as cargas magnéticas aparecem sempre em dipolos, com pólos positivos e negativos inseparáveis. Foi necessário o gênio de Dirac na década de 1930 para mostrar que a mecânica quântica novamente oferece uma saída.

A impossibilidade de monopólos magnéticos clássicos se deve às inevitáveis ​​singularidades que eles acarretam. Dirac mostrou, no entanto, que essas singularidades são, para todos os efeitos, ocultas e inobserváveis ​​se o produto das cargas elétricas e magnéticas for um múltiplo inteiro da constante de Planck h, a principal constante numérica que governa o comportamento quântico. O eletromagnetismo quântico com monopólos magnéticos é, portanto, perfeitamente consistente.

De fato, as teorias do campo quântico grand unificado das interações eletromagnéticas, fracas e fortes admitem monopólos magnéticos fundamentais, nos quais as singularidades são substituídas por minúsculos núcleos internos contendo partículas elementares muito pesadas. Esses monopolos fundamentais são tão pesados ​​que só poderiam ter sido produzidos no big bang. Nenhum vestígio deles foi encontrado, mesmo depois de quatro décadas de pesquisas dedicadas.

Monopólos mais leves, no entanto, podem ser realizados como excitações em sistemas de matéria condensada emergentes, onde as escalas de energia típicas são 12 ordens de magnitude menores do que a escala grande unificada de todas as interações elementares. Neste caso, as singularidades estão escondidas entre as estruturas em forma de rede desses materiais e, se as cargas magnéticas forem adequadamente quantizadas, elas são inobserváveis.

Em colaboração com V. Vinokour, agora na Terra Quantum AG, mostramos recentemente que não apenas monopólos magnéticos podem de fato ser realizados como excitações completas em sistemas de matéria condensada emergente granular, mas que se comportam como partículas mecânicas quânticas genuínas e, assim, eles podem condensar Bose em temperaturas suficientemente baixas, levando a um comportamento superinsulante. Embora as temperaturas nas quais esse efeito ocorre ainda sejam extremamente baixas, o caminho para o armazenamento perfeito de energia foi pavimentado.

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Não apenas armazenamento, concentração também. Um superinsulador forte pode conter quantidades extremamente grandes de cargas em regiões muito estreitas, tornando possível a ignição da fusão nuclear em microcavidades. Finalmente, o uso simultâneo de supercondutores e superinsuladores pode levar a dispositivos que não perdem calor durante a operação, como sensores de alto desempenho e interruptores lógicos para computadores quânticos.

Muito disso ainda é ficção tecnológica no momento. Supercondutores que operam em temperatura ambiente, no entanto, estão surgindo no horizonte. Como mostramos recentemente com V. Vinokur, verifica-se que os monopólos magnéticos também fornecem um forte mecanismo de emparelhamento para elétrons em materiais em camadas, exatamente o que é necessário para obter supercondutores com altas temperaturas de transição. Conduzir a temperatura de transição para os valores mais altos requer principalmente o ajuste da densidade dos monopólos magnéticos formados entre as camadas de condução. Cálculos teóricos mostram que as temperaturas de transição máximas alcançáveis ​​estão na casa das centenas de graus K. A obtenção de supercondutores à temperatura ambiente pode reduzir o problema de materiais de engenharia com densidade suficientemente alta de monopólos magnéticos.

Uma partícula quântica rejeitada pela maioria como “impossível” pode, portanto, levar a uma solução elegante para os problemas de transporte e armazenamento de energia sem perdas.

* Observação: este é um perfil comercial

© 2019. Este trabalho está licenciado sob um Licença CC BY 4.0.

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