Fotografia de um buraco negro. (Créditos da imagem: Event Horizon Telescope).

Sempre ouvimos falar nos poderosos quasares, ou nos enormes discos de acreção que são gerados em volta de buracos negros, que liberam, por alguns instantes, mais energia do que uma galáxia inteira. É fato que os buracos negros são objetos poderosíssimos — mas afinal, seria possível aproveitar um pouco dessa energia?

Quasares e as condições mais extremas do Universo

Um buraco negro possui esse nome por um motivo: ele é escuro muito escuro. Tudo o que passa pelo horizonte de eventos desaparece do Universo conhecido. É impossível saber o que acontece lá. Entretanto, externamente a essa região, ocorrem muitas coisas que nos demonstram um pouco do poder desses objetos.

Em resumo, quando um buraco negro está engolindo algum objeto, ele não engole de uma vez — ele o desintegra. Essa matéria é puxada aos poucos pelo buraco negro, formando o disco de acreção, que libera uma enorme quantidade de energia pelas condições extremas, como velocidade e pressão.

Dependendo do tamanho do buraco negro — entre 1 milhão e 1 bilhão de massas solares — e da quantidade de matéria disponível, essa alimentação pode se tornar um quasar, objeto que pode possuir um brilho de até 1000 vezes o brilho da Via Láctea inteira.

Ilustração artística de um Quasar. (Créditos da imagem: ESO).

Se um buraco negro possui uma gravidade tão grande que consegue fazer a matéria emitir tanta energia assim, não seria possível aproveitar essas condições extremas para gerar energia limpa para um planeta e quase infinita?

Gerando energia com um buraco negro

Sim, cientistas já pensaram nisso, e uma das maneiras mais promissoras foi proposta pelo físico matemático Roger Penrose em 1969, hoje aposentado pela Universidade de Oxford. O método se chama processo Penrose, em sua homenagem.

Em 1963, um matemático neozelandês chamado Roy Kerr conseguiu chegar em uma solução exata com base na Relatividade de Einstein. A Métrica de Kerr, como é chamada, descreve principalmente a geometria do espaço-tempo no entorno de um objeto massivo em rotação, vulgo buraco negro rotativo.

A Métrica de Kerr institui uma região no entorno do buraco negro chamada de ergosfera, antes do horizonte de eventos — local sem volta de onde nem a luz escapa. Um objeto na ergosfera tende a participar da rotação do buraco negro, e Penrose se beneficia de algo acarretado disso.

A ergosfera constitui uma região onde ocorre um fenômeno conhecido como frame-dragging, ou arrasto de referenciais, no português — às vezes erroneamente traduzida como arrasto de quadros.

O arrasto de referenciais recebe esse nome por causa de uma distorção que ele causa no tecido espaço tempo. Para exemplificar, pegue um tecido qualquer, estique-o e pressione com seu dedo — esse é o efeito no espaço-tempo que gera a gravidade.

Agora, gire seu dedo — você notará o tecido formando algumas rugas em um formato de redemoinho, arrastadas junto com o giro do dedo. Grosso modo, apenas para ilustrar, o frame-dragging é algo semelhante a isso. O tecido espaço-tempo é enrugado e gira junto com o buraco negro rotativo.

É agora que o processo Penrose entra em ação. Na ergosfera um objeto é dividido em dois, conforme Penrose. Um deles entra no horizonte de eventos e está perdido. Mas o segundo é atirado para fora, utilizando o buraco negro como catapulta. Nessa saída, ele possui muito mais energia do que possuía quando entrou, e a ideia de Penrose é capturar essa energia.

É possível fazer isso?

Na teoria é possível. Entretanto pelo menos com a nossa tecnologia atual, não. Não conseguimos chegar próximo o suficiente de um buraco negro, e mesmo que puséssemos, o buraco negro mais próximo da Terra está a mil anos-luz de distância. Ou seja, se viajássemos na velocidade da luz — o que é impossível -, chegaríamos nele somente em mil anos, isso se ele for rotativo.

Isso não quer dizer, entretanto, que não é possível testar. Em 1971, o físico soviético Yakov Zel’dovich propôs uma forma experimental de testar o processo Penrose.

Nele, um cilindro absorvente deveria ser colocado em rotação, simulando o buraco negro. Em seguida, deve-se lançar alguns feixes de luz, e eles seriam absorvidos, por um momento, e logo em seguida, uma parte desses feixes seria lançada para fora com um pouco mais de energia, pelo efeito doppler.

Mas há uma limitação técnica. Para que funcione, o número de rotações do cilindro deve ser superior à frequência da luz. Para se ter ideia, a frequência do vermelho visível se inicia em 400 THz. Isso é 400 seguidos de 12 zeros. Ou seja, o cilindro precisaria rodar mais do que 400 000 000 000 000 vezes por segundo se você lançasse a luz vermelha.

Hz é uma sigla para Hertz. A medida indica o número de vezes que a alguma coisa ocorre por segundo. No caso das ondas eletromagnéticas, são o número de oscilações. Aquela letra antes do Hz é o prefixo de quantidade. O T é de Tera, o mesmo prefixo que indica dos Terabytes do seu HD, por exemplo.

Ok, existem ondas no espectro eletromagnético com frequências menores. Mas mesmo que você pegasse a frequência mais baixa do rádio, 3 kHz, precisaria que o cilindro girasse mais do que três mil vezes por segundo. Ainda assim, os pesquisadores dizem que precisariam ser ondas acima das faixas de GHz (nove zeros). Mas isso não é o fim.

Quebrando regras

Recentemente, um grupo de pesquisadores teve uma ideia: se não podemos utilizar ondas eletromagnéticas, por que não utilizamos ondas sonoras? O experimento foi descrito em um estudo publicado na Nature Communications, e também está disponível de forma gratuita como preprint no repositório AirXiv.

(Créditos da imagem: Universidade de Glasgow)
A máquina utilizada no experimento. (Créditos da imagem: Universidade de Glasgow).

As ondas acústicas possuem frequências muito mais baixas tornando o experimento plausível. Conseguimos ouvir a partir de 20 Hz, ou seja, o cilindro precisaria girar apenas mais do que 20 vezes por segundo, nesse caso.

Então, bastou a equipe da Universidade de Glasgow substituir os equipamentos para adaptar à novas condições. No lugar do cilindro, eles utilizaram um material absorvedor de som, e no lugar dos feixes eletromagnéticos, alto-falantes que lançavam tons sonoros no disco giratório.

As ondas sonoras eram lançadas e conforme eram absorvidas pelo material em giro, acabavam por adotar uma frequência negativa. Com isso, elas absorviam um pouco da energia do movimento giratório e voltavam a ter uma frequência positiva, sendo lançadas de volta ao ambiente em um tom superior a 30% mais alto.

Então sim. Experimentalmente está confirmado que de fato é factível. Uma civilização avançada, em um estágio de evolução tecnológica muito além do qual se encontra a humanidade, poderia retirar a energia do buraco negro e convertê-la em eletricidade ou outras formas de energia úteis.

Referências:

  1. CROMB, Marion et al. “Amplification of waves from a rotating body”; Nature Communications. Acesso em: 27 jun 2020.
  2. NAKAO, Ken-ichi et al. “Non-linear collisional Penrose process: How much energy can a black hole release?”. Acesso em: 27 jun. 2020.
  3. PENROSE. ““Golden Oldie”: Gravitational Collapse: The Role of General Relativity”. Acesso em: 27 jun. 2020.