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Hidrogénio metálico. A descoberta do ano ou um erro científico?

ALTA PRESSÃO. Esta foto tirada por um microscópio mostra os dois diamantes sintéticos usados na experiência da Universidade de Harvard para comprimir uma pequena amostra de hidrogénio molecular a altas pressões, de modo a transformá-lo em hidrogénio atómico ou metálico

FOTO ISAAC SILVERA AND RANGA DIAS

Na experiência liderada por Ranga Dias e Isaac Silvera, da Universidade de Harvard, uma minúscula amostra de hidrogénio, o gás mais leve e abundante no Universo, foi comprimida a uma pressão cinco milhões de vezes maior do que a pressão atmosférica para se transformar em metal supercondutor de eletricidade. Mas há cientistas que contestam os resultados, apresentados na revista “Science”

Virgílio Azevedo

Virgílio Azevedo

Redator Principal

Tornar os carros elétricos mais eficientes; melhorar de forma significativa o transporte, a produção e o armazenamento de energia elétrica; aumentar o desempenho dos equipamentos eletrónicos; viabilizar a levitação magnética de comboios de alta velocidade; revolucionar o sistema de propulsão de naves e foguetões. De repente abre-se um imenso universo de oportunidades de avanço tecnológico e de melhoria da vida das populações, ao ser anunciada pela primeira vez a produção de hidrogénio metálico por cientistas da Universidade Harvard (Massachusetts, EUA).

Na experiência liderada por Isaac Silvera e Ranga Dias, cujos resultados foram publicados recentemente num artigo na revista Science, uma minúscula amostra de hidrogénio, o gás mais leve e abundante no Universo, foi comprimida a 495 gigapascal, uma pressão superior à do centro da Terra e cinco milhões de vezes maior do que a pressão atmosférica. Foram utilizados dois diamantes sintéticos para comprimir o hidrogénio a temperaturas muito baixas, porque é possível fazer pontas muito finas deste tipo de diamantes, que não se quebram quando sujeitas a estas condições extremas.

A estas pressões, as moléculas de hidrogénio (hidrogénio molecular) partem-se e separam-se, transformando-se em hidrogénio atómico, que tem as propriedades de um metal e é supercondutor de eletricidade. “Cerca de 15% da energia perde-se por dissipação durante a transmissão nas redes de distribuição”, explica Isaac Silvera numa notícia publicada na Harvard Gazette, o jornal online da Universidade de Harvard. “Portanto, se conseguirmos fabricar cabos em hidrogénio metálico e os usarmos na rede elétrica, poderemos superar este problema”. Um vídeo sobre a experiência feita pela Universidade de Harvard está disponível no YouTube:

Neste vídeo, Isaac Silvera e Rang Dias explicam quais são as propriedades do hidrogénio e como foi produzido em laboratório o novo material, antevendo que se os cientistas conseguirem um dia manter o hidrogénio metálico estável à temperatura ambiente, este poderá ser usado no fabrico de cabos elétricos sem dissipação de energia, ou de magnetos dos aparelhos de ressonância magnética que não precisam de ser arrefecidos com hélio no estado líquido para poderem funcionar. E irá revolucionar os foguetões e as viagens espaciais, “o que será uma coisa muito bonita de se alcançar”, afirma Isaac Silvera.

“O Santo Graal da física”

É por isso que a produção de hidrogénio metálico agora supostamente conseguida “é o Santo Graal da física de altas pressões”, enfatiza o investigador. “É a primeira amostra obtida na Terra e portanto, quando estamos a olhar para ela, estamos a olhar para qualquer coisa que nunca existiu antes”.

Bom, nunca existiu antes no nosso planeta, porque os astrofísicos defendem que é abundante nos planetas gasosos do Sistema Solar, nomeadamente em Júpiter, devido às altas pressões a que o hidrogénio é sujeito pela força da gravidade deste planeta gigante, que é mais do dobro da força da gravidade da Terra. Por isso, uma pessoa que pesasse 80 kg na Terra pesaria quase 200 kg se estivesse no topo das nuvens de Júpiter. A sua atmosfera tem 75% de hidrogénio e o seu interior 71%.

À superfície do maior planeta do Sistema Solar há hidrogénio molecular, gasoso, mas a partir dos 1000 km de profundidade os cientistas pensam que se torna líquido e depois sólido e metálico, constituindo um vasto “mar” pastoso com dezenas de milhares de quilómetros de espessura que se estende por 78% do raio de Júpiter, até ao seu núcleo composto por rochas e gelo.

Há cientistas que duvidam da descoberta

Mas há vários cientistas um pouco por todo o mundo que manifestam publicamente sérias dúvidas em relação ao que foi revelado pela Universidade de Harvard, afirmando que “se baseou num erro” e que o estudo publicado na revista Science “não é convincente”. Com efeito, Isaac Silvera e Ranga Dias divulgaram fotos tiradas por microscópio do hidrogénio em três diferentes formas: transparente (isolante da eletricidade), negro (semicondutor) e metálico (supercondutor), este último emitindo um brilho que o distingue dos outros dois. Mas nunca se vê o hidrogénio metálico fora da máquina onde foi supostamente produzido. Tudo porque se for removido “poderá desaparecer completamente”, argumentam os dois investigadores.

Os seus críticos vão ainda mais longe e dizem que o brilho pode ter origem noutro material, como o óxido de alumínio. Além disso, têm dúvidas sobre a pressão que realmente foi usada na experiência, já que não são reveladas medições suficientemente detalhadas sobre todo este processo. E põem em causa a metodologia usada na experiência, argumentando que pode conduzir a falsos resultados positivos.

Nesta perspetiva, somente depois de se repetir várias vezes a experiência da Universidade de Harvard e de se realizarem novos estudos em centros de investigação por todo o mundo, que permitam chegar a um consenso na comunidade científica, é que se pode passar ao teste seguinte: ver se o hidrogénio metálico atua mesmo como supercondutor de eletricidade à temperatura ambiente. Isaac Silvera considera, por isso, fundamental perceber no futuro se o novo material é estável a pressões e temperaturas normais. Uma das teorias existentes é que “continua a ser um metal mesmo quando lhe é retirada a pressão”.

PROVAS Os cientistas da Universidade de Harvard dizem que fotografaram o hidrogénio em três diferentes formas (da esquerda para a direita): transparente (isolante), negro (semicondutor) e metálico (supercondutor)

PROVAS Os cientistas da Universidade de Harvard dizem que fotografaram o hidrogénio em três diferentes formas (da esquerda para a direita): transparente (isolante), negro (semicondutor) e metálico (supercondutor)

FOTOS ISAAC SILVERA AND RANGA DIAS

Novo material previsto há mais de 80 anos

Luís de Oliveira e Silva, professor catedrático do Instituto Superior Técnico (IST), reconhece que “o avanço reportado pelos investigadores de Harvard é fundamental, demonstrando experimentalmente uma propriedade do hidrogénio prevista teoricamente há mais de 80 anos”.

O investigador, que é também presidente do conselho científico do IST e coordenador do Grupo de Laser e Plasmas do Departamento de Física (GoLP), acrescenta que “apesar de se saber que existe no centro dos planetas gasosos gigantes, não existia ainda observação experimental, e de forma conclusiva, do hidrogénio metálico nos laboraratórios”.

Este avanço poderá permitir também “compreender o que se designa por equação de estado do hidrogénio, um aspecto crítico para compreender a evolução e formação desses planetas gigantes”. Para além dos estudos baseados em células de alta pressão de diamante (anvil cells) como o que agora foi divulgado, “também experiências com lasers ultra-intensos ou ondas de choque tinham tentado atingir estes regimes de alta pressão para comprimir o hidrogénio, mas sem sucesso, apesar do imenso debate científico sobre os resultados e a sua validade”.

É preciso repetir a experiência várias vezes

O professor catedrático do IST sublinha que “o mesmo se passa aqui: os resultados estão a ser contestados por vários grupos de investigação e em entrevista à revista Nature, os autores do estudo já confirmaram que ainda não reproduziram a experiência, para a qual também existe apenas um ponto experimental, o que é claramente insuficiente”. Assim, “concerteza que outros grupos de investigação tentarão reproduzir agora a experiência e o debate continuará até que esses grupos confirmem os resultados” da equipa da Universidade de Harvard.

Luís de Oliveira e Silva adianta que “as potencialidades de aplicação são enormes mas os desafios tecnológicos para generalizar o processo de compressão e obtenção do hidrogénio metálico também são importantes, como se constata por mais de 80 anos de estudos para se conseguir chegar ao que parece ser uma demonstração experimental”.

É verdade que a densidade de energia do hidrogénio metálico é extremamente elevada “e que por isso podem ser invocadas as suas propriedades” para o armazenamento de energia, “mas é preciso ter em atenção que as amostras agora produzidas são muito pequenas”. Portanto, “generalizar o processo terá, também por si, desafios enormes”.

Estudar a formação dos planetas

As vantagens tecnológicas destes avanços são sempre determinadas, em cada momento, “pelos custos associados ao seu desenvolvimento e estamos claramente bastante longe da fase em que será realista pensar em aplicações deste resultado experimental”. Resultado que, a confirmar-se, “é de importância fundamental não só para o estudo dos materiais a alta pressão mas também para o estudo da formação dos planetas”.

O hidrogénio metálico poderá também vir a desempenhar um papel determinante na exploração espacial, porque é um combustível propulsor mais poderoso para os foguetões, com um impulso específico de 1700 segundos, contra os 450 segundos dos melhores combustíveis hoje usados. O impulso específico é a medida em segundos da rapidez com que um combustível propulsor é expelido de um foguetão.

“É necessária uma grande quantidade de energia para produzir este novo material”, esclarece Isaac Silvera, “mas quando se converte de novo o hidrogénio metálico em hidrogénio molecular (gasoso), toda essa energia é libertada”, o que significa que pode revolucionar os lançamentos de foguetões e as viagens espaciais. “Seríamos capazes de colocar foguetões em órbita apenas com um andar, em vez dos dois atuais, e com cargas maiores e mais pesadas”. E chegar mais depressa aos outros planetas do Sistema Solar.