Imagem: As diferentes camadas do Sol, o núcleo, a zona radiativa, a zona de convecção, a fotosfera, a cromosfera e finalmente a coroa solar.
No cerne da fusão de um grama de hidrogênio libera tanta energia quanto 300 toneladas de petróleo.
A energia está no centro do Sol
O Sol é uma estrela enorme com um diâmetro igual a 109 vezes o da Terra, ou 3,6 vezes a distância Terra / Lua. Seu volume é igual a 1,3 milhão de vezes o da Terra.
A força gravitacional na superfície (274 m/s2, 28 vezes a da Terra) desta massa gigantesca (1,989 × 1030 kg) contrai a matéria em seu centro. Embora seu coração tenha um diâmetro igual à distância Terra / Lua, o volume do núcleo representa apenas 1,5% do volume total.
Ainda assim, está lá, em seu coração a cerca de 15 milhões de kelvins ou graus Celsius (1 k = -273,15 °C), que, a cada segundo, 627 milhões de toneladas de hidrogênio se fundem para produzir 622,7 milhões de toneladas de hélio. A diferença de massa (4,3 milhões de toneladas) é convertida em energia, 4 × 1026 joules ou cerca de 1,5 × 1019 quilowatts-hora (10 bilhões de bilhões de kw/h).
Por 4,57 bilhões de anos, o Sol consumiu 4 milhões de toneladas de hidrogênio por segundo.
A pressão gravitacional no centro do Sol é de 26 petapascais (26 × 1015 Pa), ou 260 bilhões de vezes a pressão atmosférica na superfície da Terra. Nesta pressão 1 m3 de hidrogênio pesa 150 toneladas. 1 m3 de hidrogênio na Terra pesa 90 gramas. Portanto, há 1,6 milhão de vezes mais átomos de hidrogênio em 1 m3 no centro do Sol do que em 1 m3 de hidrogênio na Terra (não é tão grande).
Nessa pressão (260 bilhões de vezes a pressão atmosférica) e nessa temperatura (15 milhões de Kelvin) a fusão nuclear pode começar.
Os núcleos de hidrogênio se fundirão e formarão um núcleo de hélio, liberando muita energia (15 vezes mais do que a fissão nuclear desencadeada em nossas usinas).
Como mesclar dois prótons?
Imagem: o tamanho ou posição de um próton é uma densidade de probabilidade representada por uma curva. Quanto mais longe do topo da curva, menor será a presença do próton ou o tamanho do próton é provável. No entanto, na parte inferior da curva, a probabilidade de haver 2 prótons se fundindo é baixa, mas não zero.
Para que a reação nuclear “ acenda ”, é necessário que prótons (núcleos de hidrogênio) entram em contato. Então, um dos dois prótons se transforma em um nêutron. Sem radioatividade, essa transformação seria impossível. Dois prótons, mesmo em contato, são incapazes de cruzar a barreira de Coulomb, eles recuam. Mas o próton pode se transformar transitoriamente em nêutron ao emitir uma partícula (bóson W). Este bóson W é imediatamente reabsorvido, o nêutron tornando-se próton novamente. Muito raramente, acontece que o bóson W decai em um pósitron e um neutrino e, neste ponto, o nêutron permanece um nêutron. Ele pode então se fundir com o outro próton para formar um núcleo de deutério e ligue a ““cadeia próton-próton ”.
Para que 2 prótons se fundam, a distância entre eles deve ser muito pequena, o tamanho do núcleo (10-15 metros). Para isso, é necessário cruzar a barreira de Coulomb (força de a interação elétrica entre dois prótons carregados positivamente). Essa força é proporcional ao produto das duas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as duas cargas (o que requer energia considerável para “ ligar ” dois prótons). Quanto mais os prótons se aproximam, mais energia é necessária para mantê-los juntos. Mesmo em 15 milhões de Kelvin, a energia não é suficiente para cruzar a barreira de Coulomb. Choques de prótons fortes não esmagam bolhas de interação nuclear forte o suficiente para “ ligar ” 2 prótons juntos.
Teoricamente, os prótons teriam que viajar a 20.000 km/s para atingir uma temperatura de 5 bilhões de Kelvin. A 15 milhões de Kelvin, os prótons se movem a 600 km/s.
No entanto, a temperatura de 15 milhões de Kelvin é uma temperatura média. De acordo com a curva de distribuição das partículas em função da temperatura de Maxwell-Boltzmann, os prótons estão longe de atingir 20.000 km/s e, portanto, a fusão é impossível.
Para conseguir a fusão é necessário invocar a física quântica.
O tamanho ou posição de um próton é uma densidade de probabilidade representada por uma curva. Quanto mais longe do topo da curva, menos provável será a presença do próton ou o tamanho do próton. Na parte inferior da curva, a probabilidade de ter 2 prótons essa fusão é muito pequena, mas não zero.
A propriedade que um objeto quântico tem de cruzar uma barreira de potencial, mesmo que sua energia seja menor do que a energia mínima necessária para cruzar essa barreira é chamado de efeito túnel.
Cruzar a barreira de Coulomb é impossível em baixa temperatura, mas com uma média de 15 milhões Kelvin, isso é o suficiente para que o efeito túnel se torne provável sem ter que atingir 5 bilhões de Kelvin.
A cada segundo um próton sofre 2x1015 colisões e o efeito túnel ocorre uma vez a cada 108 colisões. Portanto, cada próton tem 20 milhões de oportunidades fundir.
Então, por que todos os prótons do Sol não se fundem em um segundo?
Porque 2 prótons, embora unidos pela forte interação nuclear, não podem coexistir porque do princípio de exclusão de Wolfgang Ernst Pauli (1900 - 1958). Assim, cada próton se funde com outro próton 20 milhões de vezes por segundo graças ao efeito de túnel e se separa instantaneamente (10-21 segundo).
Para fazer um núcleo de hélio é necessário fundir 2 prótons e 2 nêutrons.
De onde vêm os nêutrons?
Interação nuclear fraca (radioatividade) irá intervir em nossa fusão. Interação nuclear fraco (100.000 vezes mais fraco do que a interação nuclear forte) permite que um próton, com uma probabilidade extremamente baixa (1 em 1024) se transforme em um nêutron quando é em contato com outro próton. Quando isso acontece, um núcleo de deutério aparece emitindo um neutrino e um pósitron que imediatamente se aniquila com um elétron ao redor, transformando matéria em energia pura (E = mc2).
O deutério se transformará em hélio 3, emitindo de acordo com o mesmo princípio de energia pura (raios gama). Sempre com uma probabilidade baixa, então 2 núcleos hélio 3 dará 2 núcleos de hélio 4.
Este processo denominado « cadeia próton-próton » graças a uma probabilidade muito baixa de fusão foi mantida por 4,6 bilhões de anos.