Na reunião da SBPC em Poços de Caldas em 1961, Mario Schenberg (1914-1990) anunciou a instalação no Instituto de Física da USP da primeira planta de liquefação de hélio do hemisfério sul. Schenberg acreditava que a pesquisa criogênica, na qual o hélio é o refrigerante, seria fundamental para o avanço da ciência e da tecnologia. Mario Schenberg estava absolutamente certo: superfluidez, efeito Hall quântico, computação quântica, medicina de imagens, lasers de estado sólido, display de cristal líquido, supercondutores, fibras ópticas, estes são apenas alguns fenômenos ou aplicações que se tornaram possíveis devido à pesquisa criogênica.
As reservas conhecidas de hélio da Terra são de 50 bilhões de m3, geralmente aprisionado em pequenas concentrações junto com gás natural em rochas subterrâneas impermeáveis. Os principais mineradores de hélio são os Estados Unidos e o Qatar, que detêm 94% da produção mundial. Na última década, o preço do hélio aumentou vertiginosamente devido a guerras que paralisaram a mineração no Qatar, mas atualmente o preço regrediu. No Brasil, foram relatadas reservas significativas de hélio na Bacia do rio São Francisco, onde a concentração de hélio é de 1,5%, quinze vezes maior do que o mínimo necessário para que sua mineração seja viável economicamente. Porém, ainda não há mineração de hélio no Brasil, aqui o hélio é importado dos Estados Unidos a um preço 5-10 vezes maior do que lá.
O hélio não é um mineral renovável; quando liberado para a atmosfera, ele sobe para as alturas e escapa para o espaço cósmico, sem volta. A atividade humana gera perdas estimadas em 200 milhões de m3 por ano. Uma boa parte dessa perda ocorre na mineração do gás natural nos poços onde não há tecnologia para separar o hélio, que é lançado na atmosfera. Nesse ritmo, o hélio será esgotado em 250 anos.
Apenas em torno de 5% da perda anual de hélio desperdiçado é atribuído a atividades de pesquisa científica e tecnológica. Se o hélio fosse usado somente em pesquisa, as reservas durariam cinco mil anos. Mesmo assim, cabe aos cientistas minimizar o desperdício de hélio. Isso significa capturar e liquefazer o hélio que evapora no processo de refrigeração (reciclar o hélio). Há duas alternativas para a reciclagem: sistemas abertos, onde o equipamento do pesquisador é abastecido com hélio líquido e o vapor é canalizado de volta para a planta de liquefação, ou sistemas fechados, que possuem um mini-liquefator interno que captura e condensa a evaporação. Nos sistemas abertos, as perdas giram em torno de 5-10% por ciclo. Nos sistemas fechados, as principais perdas são associadas à purga do espaço experimental com hélio de alta pureza, que é muito caro. Um sistema fechado apresenta algumas características negativas:
(1) o preço é tipicamente uma ordem de grandeza maior do que o preço de um sistema aberto;
(2) o sistema fechado é uma caixa preta à qual só o fabricante pode dar manutenção, o que eleva ainda mais o custo;
(3) Os sistemas fechados são limitados às aplicações idealizadas pelo fabricante, enquanto um sistema aberto é flexível para a construção de experimentos personalizados;
(4) As figuras de mérito de um sistema fechado são em geral inferiores às de um sistema aberto (campo magnético, abertura numérica, etc).
Vale ressaltar que um sistema aberto pode ser convertido em sistema fechado utilizando a tecnologia de “reliquefier”, um instrumento que recupera a evaporação de hélio de um criostato aberto e devolve ao interior do criostato na forma líquida. Esta solução híbrida oferece a perspectiva de combinar o melhor dos dois mundos (aberto e fechado).
Os sistemas abertos dependem de uma planta de liquefação (Criogenia) como a fundada por Schenberg. O custo de uma Criogenia, que atende a vários grupos de pesquisa, é comparável ao de um sistema fechado que serve a apenas uma estação experimental. A manutenção de uma Criogenia é realizada por especialistas brasileiros, o que estimula a atividade tecnológica especializada e forma recursos humanos aqui. Consequentemente, o investimento em um sistema aberto traz retorno para além dos resultados científicos.
Ainda que a fração perdida em atividade científica global seja pequena, existe um discurso que recomenda aos laboratórios adquirir sistemas fechados em nome da salvação do hélio, que está acabando. Essa narrativa acaba sendo uma forma de scarcity marketing, ou fear-based selling, vantajosa para o fabricante, pois o torna detentor absoluto dos investimentos e de manutenção de equipamentos. Em contrapartida, sistemas abertos semeiam atividade tecnológica e formação de recursos humanos localmente.
Do exposto, fica claro que sistemas fechados são uma excelente solução para sistemas aplicados do tipo dedo-frio, como MRI (magnetic resonance imaging) na medicina. Podem ser também uma boa solução para a pesquisa científica exploratória, que não requer temperaturas muito baixas nem campos magnéticos elevados, que não seja sensível a vibrações, nem exija troca frequente de amostras. Nos outros casos, os sistemas abertos são uma opção melhor, principalmente se combinados com plantas de liquefação eficientes e com a tecnologia de reliquefier, com o bônus de trazer benefícios sociais.
Cabe refletir sobre qual caminho trilhar. Cabe decidir se as reservas brasileiras de hélio, como a da baía do rio São Francisco, deveriam ser exploradas para suprir as necessidades nacionais, ou não. Além de garantir o acesso a algo importante, sem depender inteiramente do fornecimento externo, a produção de hélio brasileiro semearia atividade técnica avançada.
Respostas bem fundamentadas a essas perguntas serão valiosas para determinar a melhor política de utilização do hélio no Brasil.
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Seminários de Física Aplicada: Da Teoria à Inovação
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