.
Buracos negros são objetos misteriosos – há muita coisa que não sabemos sobre eles. Uma questão antiga é se buracos negros rotativos, que são tão poderosos que arrastam o espaço-tempo junto com eles, poderiam ser usados como fonte de energia.
O físico Roger Penrose sugeriu que, se um objeto caísse em um buraco negro em rotação de tal forma que se dividisse – com uma parte escapando – a parte que sobrasse deveria efetivamente ganhar energia do buraco negro.
Então, se enviássemos objetos ou luz em direção a um buraco negro em rotação, poderíamos obter energia de volta. É difícil provar tudo isso diretamente, no entanto. Mas publicamos recentemente nosso segundo estudo, na Nature Communications, verificando experimentalmente uma teoria mais geral por trás disso. Essa teoria diz respeito a todos os objetos em rotação que podem absorver matéria ou radiação, e um buraco negro é, em essência, apenas um absorvedor muito grande e eficaz.
A ideia remonta a 1971 e ao físico soviético Yakov Zel’dovich. Generalizando a ideia de Penrose, ele previu algo muito simples. Se você pegar um cilindro que absorve energia de ondas e girá-lo, então ele deveria gastar sua própria energia para amplificar algumas ondas (aumentando sua energia).
Isso se aplicaria a ondas que possuíssem sua própria rotação inerente (conhecida como momento angular) na mesma direção do cilindro e tivessem uma frequência baixa o suficiente em relação à taxa de rotação do cilindro.
A proposta de Zel’dovich, por sua vez, inspirou a famosa ideia de Stephen Hawking de que os buracos negros deveriam irradiar lentamente sua energia amplificando fótons do vácuo quântico.
Experiência complicada
Apesar da simplicidade do efeito Zel’dovich e de sua relação fundamental com a física fundamental, esse efeito não havia sido testado diretamente até recentemente.
A condição de Zel’dovich para amplificação era geral, mas sua descrição de um sistema hipotético que poderia mostrar tal efeito era bem específica. Envolvia ondas viajando no espaço livre (na velocidade da luz) com um tipo de momento angular conhecido como OAM, abreviação de momento angular orbital (significando que os feixes de luz eram torcidos) e atingindo um cilindro em rápida rotação.
Mas isso sugeria que o efeito de amplificação seria minúsculo, porque, a menos que o cilindro pudesse girar a uma velocidade comparável à da luz — uma construção que seria mecanicamente impossível hoje — as ondas OAM que poderiam atender à condição seriam espalhadas por uma área tão grande que o cilindro estaria em (o que Zel’dovich chamou de) uma “zona sem ondas” — ele mal interagiria com as ondas.
Devido a isso, foi erroneamente considerado basicamente inobservável em experimentos.
Prova concreta
Isso até percebermos que o efeito também deveria ocorrer em ondas sonoras, que viajam muito mais devagar do que a velocidade da luz. Usando ondas sonoras com momento angular orbital, em 2020 mostramos a amplificação de Zel’dovich pela primeira vez em um experimento.
Depois de mostrar que o efeito existia em um sistema, pensamos que uma versão eletromagnética poderia não ser tão difícil, afinal. Fomos capazes de remover as limitações anteriores prendendo a onda eletromagnética em um circuito ressonante, em vez de no espaço livre. As ondas oscilantes em nosso circuito único não tinham momento angular orbital, mas continham outro tipo de momento angular, denominado “spin”.
Com esse circuito, poderíamos canalizar a parte magnética oscilante da onda por uma pequena área onde colocamos um cilindro de alumínio giratório. Então medimos como a potência no circuito mudava com a velocidade de rotação do cilindro. Se o cilindro estivesse absorvendo o campo, ele agia como uma resistência positiva normal no circuito, drenando a potência. Se estivesse amplificando o campo, ele agia como uma resistência negativa – como uma fonte de energia.
Descobrimos que a amplificação do campo pelo cilindro era exatamente como previsto pela condição de Zel’dovich – o que significa que havíamos provado o efeito em ondas eletromagnéticas pela primeira vez.
Ao tentar esse experimento, também encontramos algo inesperado. A maneira como esse cilindro cria uma resistência negativa e amplifica o circuito ao redor quando gira rápido o suficiente é muito semelhante à maneira como turbinas eólicas geram energia.
Dentro de uma turbina eólica há um gerador de indução, onde uma corrente alternada é enviada para criar um campo magnético rotativo ao redor do rotor. E quando as pás do rotor giram mais rápido do que o campo magnético rotativo ao redor, a corrente é amplificada, e energia é gerada.
Embora também haja outras questões físicas envolvidas nos geradores de indução modernos, ainda é surpreendente que todos os ingredientes para provar o efeito Zeldovich com eletromagnetismo estivessem escondidos à vista de todos por tanto tempo.
Essa ligação que descobrimos com geradores de indução nos permitirá otimizar esses experimentos eletromagnéticos para testar ainda mais o efeito Zel’dovich, aproveitando os muitos anos de engenharia investidos para melhorar a tecnologia de motores e geradores.
Talvez o conhecimento dessa ligação com o efeito Zel’dovich também possa ir na outra direção, fornecendo aos engenheiros uma nova perspectiva física para aproveitar na geração de energia.
Este experimento, mostrando que o efeito Zel’dovich está presente no eletromagnetismo, também desbloqueia o potencial de ver o efeito em um nível quântico. A teoria quântica nos diz que o espaço vazio não é vazio – ele tem algumas flutuações.
Qualquer efeito de amplificação também deve ser capaz de amplificar tais flutuações de energia em fótons reais – criando matéria a partir de um campo quântico. Isso significaria que um cilindro rotativo, mesmo na ausência de todas as outras forças, desaceleraria gradualmente devido a esse processo.
Quanto aos buracos negros, as implicações são animadoras. Talvez no futuro, aproveitar a rotação dos buracos negros possa ser usado para alimentar tecnologia ou naves espaciais.
Alguns propuseram condições que criariam um efeito de geração de energia descontrolada denominado “bomba de buraco negro”. Com melhorias em nosso experimento, esperamos também testar essa amplificação descontrolada para o efeito Zel’dovich.
.
