Antimatéria: O material mais caro do mundo! (V.4,N.6,2018)

O que vem a sua cabeça quando o assunto é um material caro? A minha vem tinta de impressora, que custa ~R$20.000/litro (considerando um cartucho de 4 ml por R$80,00) e ouro, que custa ~R$15.000/kg. Acontece que estes valores não são ao menos comparáveis com o gasto para se produzir antimatéria: Uma estimativa feita por G.R. Schmidt et al. conclui que o custo para a produção de antiprótons é de ~R$24.000.000.000.000/g (24 trilhões de reais por grama, o que equivale a mais de 3,5 vezes o PIB brasileiro)!! Mas se antimatéria é tão cara, por que pesquisamos ela? Hoje tentaremos entender o que é antimatéria, em um próximo artigo iremos discutir algumas pesquisas e aplicações atuais neste tópico fascinante da física.

O que é antimatéria? Senta que lá vem história!

Paul A. M. Dirac (1902-1984) físico britânico.

Tudo começa quando P. Dirac tenta juntar a teoria da mecânica quântica com a teoria da relatividade especial. A equação de Dirac faz uma previsão bastante estranha: ela diz que as partículas podem ter valores negativos de energia. Isto significaria que um elétron poderia emitir radiação para sempre, ficando cada vez com energias mais negativas, o que não é aceitável do ponto de vista físico.

Para consertar esta inconsistência do seu modelo, Dirac apela ao chamado princípio de exclusão de Pauli, que diz que duas partículas idênticas não podem ocupar o mesmo estado quântico.  Para cada valor de energia existe um número limitado de estados quânticos disponíveis, mas como cada estado só pode ser ocupado por uma partícula, existe um número máximo de partículas que podem ter a mesma energia.

Dirac argumenta que todos os estados relacionados a energias negativas estão ocupados, assim uma partícula não poderia ir para um estado de energia negativa, isto ficou conhecido como Mar de Dirac¹. Uma consequência do mar de Dirac é que o consideramos como vácuo não é vazio, existe uma infinidade de partículas nos estados de energia negativa.

Carl D. Anderson (1905-1991), físico estadunidense.

Vamos pensar no caso de elétrons, podemos fornecer energia para um desses elétrons com energia negativa de forma que ele passe a ter energia positiva. Para um observador, vai parecer que um elétron surgiu do nada, quando na realidade ele foi excitado do vácuo; Além disso, haverá uma falta de carga negativa no mar de Dirac, este “buraco” pode ser descrito como uma partícula de carga positiva, que chamamos de antielétron (ou antipartícula no caso mais geral). Esta é uma das reações que caracterizam antipartículas, chamada criação de pares, onde é possível criar um par partícula-antipartícula acumulando energia suficiente em um ponto.

Na interpretação de Dirac, uma antipartícula nada mais é do que um espaço vago no mar de Dirac, assim um elétron pode perder energia emitindo radiação e indo pro estado quântico vago descrito pelo antielétron. Um observador veria um elétron colidindo com um antielétron, depois da colisão ambos sumiriam e energia seria emitida na forma de radiação, esta é outra das reações que caracterizam antimatéria, a aniquilação de pares.

Fotografia da câmara de nuvem mostrando primeiro pósitron observado. Anderson, C. D. (1933). “The Positive Electron”. Physical Review 43 (6): 491–494.

Parece ideia de maluco? Sim, como diria Carl Sagan, “alegações extraordinárias exigem evidências extraordinárias”. Em 1932, um ano após a previsão de Dirac, um físico chamado C. Anderson observou pela primeira vez o antielétron em um experimento utilizando um detector chamado câmara de nuvens. No artigo em que relata sua descoberta, Anderson cria o nome pelo qual popularmente conhecemos o antielétron: pósitron².

Como produzir antimatéria?

Em pequenas quantidades, antimatéria existe de maneira natural. Por exemplo: Em média, uma banana emite um pósitron a cada 75 minutos, pois possui em sua composição química um isótopo radioativo de potássio (40K) que sofre decaimento β+, mas como o nosso universo é feito predominantemente de matéria, rapidamente este pósitron encontra um elétron e eles se aniquilam, sobrando somente radiação.

Rastros de antimatéria também são detectados no espaço, um exemplo são os raios cósmicos que possuem antiprótons (p̄) devido a reação p+A → p+A+p+p̄, onde A é um núcleo atômico e p é um próton. Porém esta reação é bastante ineficiente, assim a proporção em relação a matéria é bastante baixa.

Parte do Large Hadron Colider (LHC), um acelerador de partículas na Suíça.

Podemos também produzir antiprótons em um acelerador de partículas, em média, a cada 10.000 colisões de prótons é gerado um antipróton, é isto que torna a produção de antimatéria tão cara, pois antes de cada colisão os prótons são acelerados até energias da ordem de 100 GeV (giga eletron-volt), ou posto em unidades mais comuns, gastaríamos 2,676 TWh (~ 3% da produção anual da usina de Itaipu) para cada grama de próton acelerado, considerando uma eficiência de 100% na transferência de energia! Lembrando que precisamos acelerar 10 kg de prótons para obter 1g de antiprótons.

Outro problema é como armazenar antimatéria, devido a aniquilação de pares não podemos deixar antipartículas expostas a um ambiente cheio de partículas, isto exige um equipamento que consiga produzir uma ambiente de vácuo muito bom (Não da pra carregar antimatéria numa maleta, ouviu Dan Brown??³). Existem algumas armadilhas magnéticas capazes de armazenar antipartículas por tempo suficiente para que possamos estudá-las, alguns cientistas do CERN, já foram capazes de produzir átomos de anti-hidrogênio e manté-los por 16 minutos.

Vídeo mostrando o equipamento utilizado pelo experimento ALPHA para produzir átomos de anti-hidrogênio. Áudio em inglês, legendas geradas automaticamente disponíveis em português.

Antimatéria como fonte de energia

Existem vários motivos pelos quais os físicos querem conhecer melhor a antimatéria e este será o tópico da parte dois. Porém, para dar um gostinho das possíveis aplicações futuras que podem surgir da pesquisa em antimatéria podemos citá-la como uma fonte de energia compacta.

Já citamos que ao encontrar matéria, a antimatéria é aniquilada e é liberada uma grande quantidade de energia, mas quanta energia é liberada? A reação de aniquilação de pares é o único processo que converte 100% da massa de uma partícula em energia, lembrando da famosa equação de Einstein, E=mc², tem muita energia armazenada na massa das partículas que normalmente não pode ser acessada.

A aniquilação de um grama de antimatéria com um grama de matéria resultaria na liberação de 50 GWh de energia, esta energia é suficiente para manter uma lampada de 100W acesa por mais de 57.000 anos. Em termos de armazenamento, isto equivale a 675 milhões de baterias de notebook (usando como base a bateria do meu, que possui 74 Wh).

Isto pode ter uma aplicação valiosa para exploração espacial, pois uma boa parte do problema que temos ao lançar um foguete ao espaço é o combustível necessário tanto para sair da atmosfera da Terra, quanto do planeta onde o foguete irá pousar, que torna o foguete pesado. Mas para que este tipo de aplicação aconteça precisamos melhorar a eficiência da produção de antimatéria, baratear o processo, desenvolver novas tecnologias de armazenamento e aprender a controlar  o uso desta energia, caso contrário teríamos apenas uma bomba poderosíssima!

  1. A interpretação do mar de Dirac tem algumas falhas de consistência e não é considerada a teoria mais correta para descrever antipartículas, porém é um modelo bastante usado pois dá intuição física aos processos que envolvem antipartículas.
  2. A antipartícula do elétron é a unica que recebe um nome especial (pósitron), as demais partículas são referidas como anti-“nome da partícula”. Por exemplo: a antipartícula do múon é o anti-múon.
  3. Isto é uma brincadeira com a história do livro Anjos e Demônios, onde um grupo rouba uma maleta com antimatéria para usar como uma bomba. [Leia mais]

11 thoughts on “Antimatéria: O material mais caro do mundo! (V.4,N.6,2018)

  1. Logo da criação de antimatéria, teríamos uma boa oportunidade para poder desenvolver projetos encaminhados a sua conservação e aproveitamento prático (Solução Energética), a armazenagem dessa energia (radiação), deixando de lado as atuais fontes de energia não renováveis existentes. Logo da possibilidade da criação de antimatéria, teríamos uma grande oportunidade para poder almacenar essa energia, e converter o processo de aproveitamento energético, para propor soluções globais e sustentáveis, obrigado pelo post.

    1. Olá Juan,
      De fato esta é uma possibilidade, porém para isso precisaríamos encontrar fontes naturais e renováveis de antimatéria em grandes quantidades, pois da forma como a criamos atualmente (usando aceleradores de partículas), usamos muito mais energia elétrica do que poderíamos retirar depois.
      Infelizmente, com o nosso conhecimento e tecnologia atuais, é impossível usar antimatéria como fonte de energia. Mas quem sabe o que iremos descobrir a seguir, né?

      Obrigado pelo comentário.

    1. Obrigado pelo comentário! é bom ter um retorno dos leitores para saber se o texto está muito carregado na parte técnica, tentarei ser mais claro na parte 2! 😀

      E certamente continuaremos escrevendo!

    1. Oi José,
      Perdão pela demora em responder, acabei não recebendo a notificação de comentário…

      Antimatéria em laboratório é produzida através de colisores de partículas, onde chocamos partículas com velocidades muito altas, dependendo a energia inicial várias anti-partículas podem ser produzidas neste processo. Porém o tempo de vida delas é bastante curto se não tivermos um aparato adequado para armazená-las como uma armadilha magnética em ultra alto vácuo.

      Abraços,
      Eduardo.

  2. Pelo que eu pesquisei a aniquilação de pares (antipróton+próton / pósitron-eletron) libera energia na forma de fótons e raios gama. Como é possível converter raios gama em energia elétrica? Por meio de um processo fotoelétrico? Efeito fotoelétrico? Efeito fotovoltaico? Efeito termoelétrico (Peltier-Seebeck)? Indução Eletrostática?
    Pelo que pude entender, raios gama podem liberar radiação térmica. Mas como isso pode ser convertido ou transformado em energia?

    1. Olá Carlos, ótima pergunta!
      Esse é um dos grandes problemas, apesar da conversão da massa para raios gamma ter eficiência total, pra obter energia em formas úteis é necessário passar por outros processos que tem menor eficiência.

      Existem testes com células semicondutoras, então é possível usar efeito fotovoltaico, mas isto ainda esta em nível de pesquisa.

      Mas em geral, usaríamos o mesmo princípio de uma usina nuclear, esquentar água e fazer o vapor girar uma turbina.
      Raios gamma em geral podem ser absorvidos por átomos grandes, excitando eles pra níveis mais energéticos. Ao colidirem com outros átomos essa energia vai se espalhando no material, aumentando sua temperatura. Outras formas de aquecimento vão incluir espalhamentos elásticos (Compton por exemplo, que é espalhamento elétron-fóton).
      Não sei quão eficiente é efeito foto elétrico com Gamma, mas a energia do elétron seria tão grande que boa parte seria transformada em calor (Efeito Joule)
      Da pra usar geradores termoelétricos (Efeito Seebeck), mas a eficiência é bem baixa.

      Bom encontrar formas eficientes e compactas de transformar essa energia vai ser uma grande empreitada dos físicos e engenheiros!

  3. Olá Eduardo,
    Há algum estudo que traga outro caminho para que se produza anti-matéria, além da colisão de partículas?
    E quanto ao processo de conversão de massa em energia, há alguma técnica para que se aproveite a energia liberada?
    Sua postagem é muito boa, parabéns!

    1. Até o presente momento não há outro método, pois antipartículas são instáveis 🙁

      Para utilizar a energia poderíamos fazer algo similar ao que se faz em usinas nucleares, aquecer água para que o vapor gire turbinas. Deve haver outros meios, mais a ideia é usar a energia cinética em um gerador.

      Fico feliz que tenha gostado do texto!

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