BR112020023120A2 - dispositivo de feixe de íons e método para gerar calor e energia - Google Patents

Abstract

  Um dispositivo e um método que gera calor e energia elétrica pelo controle da densidade, da focalização e da velocidade de um feixe de íons a partir de um plasma de baixa potência (107) em uma câmara de plasma (106) da qual o feixe de íons (111) é extraído para dentro uma câmara de reação (103) opcionalmente para enriquecer um alvo (102) em um hidreto alvo, para iniciar e manter o calor e, opcionalmente, uma reação de fusão a frio no referido alvo, recuperando energia térmica (105) a partir da referida reação para fornecer calor e/ou para gerar energia elétrica (119), opcionalmente para repor o alvo com combustível iônico adicional e/ou depositar material de alvo adicional quando o calor adicional não for necessário, enquanto durante o aquecimento e enriquecimento/deposição opcional e ciclos de fusão a frio extraindo o excesso de combustível das câmaras para recombinar se necessário com qualquer subproduto de combustível a partir do combustível de origem (109) para então reutilizar como combustível de origem.

Description

“DISPOSITIVO DE FEIXE DE ÍONS E MÉTODO PARA GERAR CALOR E ENERGIA”

CAMPO TÉCNICO Geração de Energia e calor

ESTADO DA TÉCNICA

[0001] Desde a descoberta da fusão a frio em 1989 [M. Fleischmann, S. Pons e M Hawkins, J. Electroanal. Chem., 261 (1989) 301.], ela tem sido caracterizada como tendo a capacidade de gerar bem calor em excesso de energia de entrada e também bem em excesso de qualquer reação química conhecida. Nas décadas intermediárias houve milhares de artigos científicos bem como centenas de pedidos de patente no campo. Devido a dificuldades em reproduzir as observações experimentais e a ausência de uma explicação teórica adequada para as observações, houve algum preconceito em relação ao termo “fusão a frio”, o que levou à cunhagem de tais eufemismos como LENR (Reação Nuclear de Energia baixa), LANR (Reações nucleares auxiliadas por treliça) ou CANR (Reações nucleares auxiliadas quimicamente).

[0002] O fenômeno foi primeiramente observado por Fleischmann e Pons [citados acima] em um experimento de eletrólise. Em uma solução de 300 °K Água Pesada (99,5% D2O, 0,5% H2O) de 0,1M LiOD formando íons LiO- e D+, 1,54V foi aplicado entre um anodo de Platina (positivamente carregado) e um catodo de paládio (negativamente carregado). Em um processo de enriquecimento inicial, o paládio primeiramente absorveu os íons de deutério em interstícios na treliça de Pd, uma capacidade conhecida do

Grupo de elementos 10 da Tabela periódica. Eventualmente, calor em excesso foi detectado bem além do que poderia ser explicado por qualquer processo químico conhecido, levando à conclusão de que fusão nuclear estava ocorrendo entre íons D+ de entrada adicionais e os íons D+ de enriquecimento anteriormente retidos na treliça de metal, fornecendo hélio (4He). Muitos artigos científicos e patentes seguiram uma variante desse paradigma, alguns separando totalmente a fase de enriquecimento a partir da fase de fusão a frio. Uma representante recente das patentes empregando essa abordagem é [JP2015090312A, 2013]. Uma desvantagem dessa abordagem é que é difícil controlar com qualquer precisão o ponto no qual o enriquecimento da treliça para e a reação de fusão a frio se inicia. Essa dificuldade foi superada ao enriquecer a treliça alvo separadamente, a seguir utilizando o alvo preparado em uma câmara de reação de fusão a frio. Porém essa separação em si torna a operação contínua complicada após o esgotamento do enriquecimento. Outro problema é que é difícil controlar a velocidade e direção de íons entrando na treliça ou variar independentemente seu volume durante as suas fases de enriquecimento ou reação. Um impedimento significativo em usar essa abordagem na prática é o simples fato de que, para gerar calor suficiente para fornecer uma quantidade útil de energia, o próprio eletrólito evaporará rapidamente.

[0003] Outra abordagem é usar um metal do Grupo 10 tal como níquel, ou uma liga de níquel-paládio, às vezes combinada com ZrO2, formado em nanopartículas ou grãos metálicos, e circundados por gás D2 (ou H2). Ao criar grãos de nanopartículas, a liga de metal expõe a área superficial aumentada ao gás.

Isso é vantajoso devido à observação experimental de que a maioria das reações de fusão ocorrem perto da superfície da liga alvo.

Para obter uma reação sustentada, o gás é elevado a uma temperatura moderada (comparada com fusão a quente a 100 milhões ºC), de 300 a 500ºC, o que energiza o D suficientemente para enriquecer a treliça de liga e eventualmente causar eventos de fusão.

Um artigo recente atual descrevendo essa abordagem é [Kitamura, A., et. al., J.

Condensed Matter Nucl.

Sci. 24 (2017) 202-213]. Típico de patentes propondo o uso dessa abordagem é [CA2924531 C, 2013]. Uma vantagem desse método é a reivindicação pelos técnicos de que a fusão a frio é 100% reprodutível, um objetivo buscado há muitos anos.

Não obstante, essa abordagem tem a desvantagem de que uma quantidade razoável de energia de calor deve ser gasta para manter o processo, assim não está totalmente claro que calor em excesso suficiente a partir da fusão possa ser gerado para superar o custo de operar um dispositivo.

Mesmo se houver calor de fusão suficiente para superar o custo, qualquer dispositivo que possa operar em um consumo de energia mais baixo será mais eficiente.

Não há nenhuma forma de controlar a direção ou velocidade na qual os átomos de gás D encontram as superfícies das partículas, levando a um número grande de colisões ineficientes que não resultam em fusão.

Houve dificuldade em manter uma distribuição uniforme de nanopartículas por todo o alvo, levando a pontos quentes aleatórios.

A dependência em relação a uma coleção de nanopartículas como alvo levaria a uma operação imprevisível quando em movimento caso as partículas sejam sacudidas. A extração de calor a partir de uma coleção de partículas também é problemática. Além disso, a operação contínua do dispositivo durante um longo período de tempo é difícil uma vez que, após os grãos serem esgotados de D enriquecido, o aparelho inteiro deve ser interrompido enquanto as nanopartículas reabsorvem mais D; não há modo simples de alternar entre a absorção de D por algumas partículas e a produção de fusão a frio por outras.

[0004] Uma terceira abordagem é criar um sólido a partir das nanopartículas usando uma liga do Grupo 10 tal como Ni-Pd-ZrO2, infundir o sólido com deutério, formar o resultado em um pacote como um resistor sólido, e passar uma corrente através do mesmo para gerar calor de fusão. Um artigo recente nessa abordagem é Swartz, M, et.al, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 15 (2015) 66-80]. Uma patente recente desse tipo é [US201603291 18A1, 2015]. No passado os proponentes mencionaram algumas dificuldades com as partes que experimentaram um modo de falha de “avalanche”, em que a fusão se torna descontrolada e a parte se funde, um problema sendo tratado pelos técnicos por limitar a corrente. Uma desvantagem dessa abordagem é que pode ser difícil aumentar o fenômeno a um nível que possa gerar uma quantidade prática de calor ou eletricidade. Os inventores reivindicam acionar um motor Stirling (inventado em 1816) com essa tecnologia, entretanto, isso tem a desvantagem de que produz relativamente pouca energia, assim é mais adequado para aplicações de baixa energia, tal como carregar baterias de ciclo profundo. Muitas aplicações práticas de motores de combustível fóssil exigem mais energia do que pode ser gerada por um motor Stirling. Essa abordagem tem a desvantagem de que o controle da velocidade e dos caminhos dos íons D+ na treliça são indiretos e aproximados. A operação de longo prazo também é difícil com essa abordagem, uma vez que após o D+ ser esgotado, não há como recriar o dispositivo sem reconstruir o mesmo.

[0005] Uma dificuldade encontrada por todos esses métodos é que a superfície inteira do catodo está sujeita à entrada por íons de impacto. Portanto, nenhuma porção do alvo está disponível para a reação de fusão a frio enquanto outra porção do eletrodo na qual o enriquecimento foi parcial ou totalmente esgotado é enriquecido novamente com núcleos ou depositados novamente com o material alvo, tornando problemática a operação a longo prazo. Uma segunda dificuldade encontrada por todos esses métodos é que se a energia gerada pela reação de fusão a frio for insuficiente para a aplicação, não há modo de operação alternativo para suplementar energia até o nível exigido.

[0006] Experimentos foram conduzidos no carregamento de deutério em metais usando um dispositivo duoplasmatron, que cria um feixe de prótons ou deutérios em um vácuo parcial que incide no alvo feito de Itérbio ou Titânio que é retido em uma câmara de vácuo, tal como descrito na série de artigos a seguir [Yuki, H., et. al., Metal. J. Phys. Soc. Japão, 1997. 64(1): p. 73-78]. Nessa série de experimentos, um eletrodo é revestido com uma pasta que é então seca antes do uso. A combinação é então aquecida pela aplicação de corrente de alta energia. Um plasma é formado, do qual um feixe de íons é extraído com eletrodos negativamente carregados para estudar a capacidade de vários metais absorverem os íons. Os experimentos mostram que a quantidade de fusão a frio produzida é diretamente controlada pela resistência da corrente do feixe de íons extraído. Isso supera as desvantagens das outras abordagens em que a quantidade precisa e a velocidade de íons de entrada podem ser controladas, controlando, desse modo, a quantidade de calor de fusão a frio produzido. Porém a abordagem tem desvantagens de exigir uma entrada de energia alta para a fonte de íon duoplasmatron, fornecendo um tempo de vida curto à medida que a pasta de duoplasmatron corrói, e fornecendo um feixe de corrente baixa de somente 1 mA que não gera fusão a frio suficiente para superar o custo da energia de entrada. Mais recentemente, um duoplasmatron produzindo uma corrente de feixe mais alto de 200 mA foi implantado [R. Scrivens, et. AL, Proc. IPAC201 1, San Sebastian, Espanha 201 1 3472-4], entretanto o duoplasmatron nesse caso tem a desvantagem de exigir uma energia de entrada ainda mais alta de 50 kW.

[0007] Um plasma de baixa temperatura, baixa energia para fornecer íons pode ser criado usando um gerador de micro-ondas de baixa energia, uma técnica usada para fornecer feixes de próton para aceleradores lineares, como, por exemplo, em [Neri, L, et. Al., Review of Scientific Instruments 85, 02A723 (2014)]. Essa técnica não foi usada previamente para enriquecer alvos para fusão a frio nem para gerar energia de calor nem fusão a frio. No artigo citado a quantidade de calor gerado pelo feixe é traçada, com o objetivo da pesquisa sendo reduzir o calor criado pela difusão do feixe com campos magnéticos.

[0008] Após o calor ter sido criado usando a colisão do feixe de íons com o alvo e opcionalmente por fusão a calor com núcleos incorporados, pode ser usado diretamente, por exemplo, para aquecer água ou um hidrocarboneto e o vapor resultante ou vapor de água pode ser opcionalmente convertido em energia elétrica. Essa conversão teve uma certa discussão no estado da técnica. Por exemplo, a patente [CN206505727U] revela um sistema de controle que usa uma turbina a vapor para essa finalidade. Essa abordagem tem a desvantagem de que cria fusão a frio usando fusão catalisada por muon, à qual fixa um sistema de controle de geração de energia a vapor convencional comumente usado em usinas de energia. A fusão catalisada por muon foi primeiramente proposta em 1947 [Frank, Nature, 160 (4048):525]. Essa forma de fusão a frio ocorre quando o elétron circundando o núcleo de deutério é substituído por um muon, que sendo muito mais pesado que o elétron orbita mais próximo ao núcleo, reduzindo, assim, a distância entre os núcleos e aumentando a chance de um evento de fusão. A fusão catalisada por muon tem as desvantagens de que muons tiram muita energia para gerar, vivem muito pouco tempo, tendem a aderir ao produto de hélio de fusão, desse modo, se removendo da cadeia de reação, e em geral parece exigir mais energia de entrada do que pode gerar. A patente [DE19845223A1] revela um método para aumentar o desempenho de um motor a vapor ao injetar o vapor com elementos que se fundem, aumentando a potência do motor. Isso não trata diretamente o problema de converter o calor de uma reação de fusão escalonável e externa em eletricidade. De mais relevância para a presente descrição é a patente [US8096787] de Green, R. que revela um motor eficiente para converter vapor em força motriz para girar um gerador elétrico comum, gerando, desse modo, energia elétrica. Usando a palavra gerador, incluímos também um alternador equivalente. Um motor eficiente desse tipo ajudará a minimizar o tamanho do dispositivo de geração de calor necessário para acionar o mesmo. Outro exemplo de tal dispositivo é revelado por Pritchard, E. em [US20060174613]. Esses motores são candidatos em potencial para uso na conversão de calor em eletricidade, porém são muito mais complexos do que turbinas comercialmente disponíveis que deveriam ter tempos de vida substancialmente mais longos com menos manutenção contínua. Uma vantagem de todo estado da técnica em relação à conversão de calor em energia elétrica é que não existe estado da técnica em que o calor a partir de uma fonte de plasma de baixa energia gerando um feixe de íons seja convertido em energia elétrica usando uma turbina a vapor ou um motor acionando um gerador ou alternador.

[0009] Comumente, experimentos em fusão a frio envolvem o uso de um alvo para reter núcleos de deutério ou hidrogênio em uma treliça de metal. Há evidência experimental de que a alteração da estrutura da treliça, por exemplo, ao incluir nanopartículas de ZrO2 em sua formação, aumenta significativamente as chances de reproduzir a reação de fusão a frio, como no pedido de patente [US2016.03291 18A1]. Recentemente, a capacidade de fabricar partes de metal usando impressão 3D se tornou mais comum, como em [US20150283751 A1]. Nossa pesquisa indica que a impressão 3D pode alterar a estrutura da treliça de um componente impresso. O uso de impressão 3D para fabricar um alvo para fusão a frio e, desse modo, melhorar a capacidade de uma treliça de metal em aceitar o calor a partir de um feixe de íons enquanto resiste à ablação ou retem núcleos de deutério ou hidrogênio mais firmemente para fusão a frio, não foi anteriormente proposto. Sumário da Invenção

[00010] A presente descrição é para um dispositivo e um método para criar energia de calor utilizando, opcionalmente, fusão a frio que contém inúmeros aperfeiçoamentos em relação às tentativas anteriores. A fusão a frio nesse contexto significa reações de fusão nuclear alterando os núcleos dos átomos de reação que produzem calor bem em excesso tanto de energia de entrada como reações químicas conhecidas dos componentes, consumindo uma quantidade menor de combustível para criar o referido calor do que qualquer reação química conhecida dos componentes, ocorrendo em uma temperatura relativamente baixa (abaixo do ponto de fusão do material alvo), não produzindo emissões de gás estufa, e nenhuma quantidade significativa de subprodutos radioativos ou de radiação.

[00011] Em comum com a maioria de seus predecessores, uma modalidade dessa invenção gera calor e opcionalmente uma reação de fusão a frio para suplementar aquele calor em um alvo em uma câmara de reação sob supervisão de um controlador e transmite o calor a partir da reação para um conjunto de dispositivos que pode usar o mesmo diretamente para aquecer para uma variedade de aplicações, tal como aquecimento de água ou aquecimento de espaço, bem como gerar eletricidade através de meios bem conhecidos por técnicos no assunto. Em comum com a abordagem de Yuki, et. al. [citado acima], uma modalidade dessa invenção retém a câmara de reação em um vácuo parcial e fornece em comum com a abordagem de Neri, et. al. [citado acima], uma câmara de plasma fixada também retida em um vácuo parcial. Nesse contexto, o termo “vácuo parcial” se refere a um vácuo suficiente para não interferir significativamente no feixe de íons, na prática pressões de 6x105 mbar ou menos.

[00012] As modalidades da invenção aqui reveladas são um aperfeiçoamento na abordagem de Yuki et.al. [citado acima], uma vez que extraem feixe de íons de forma muito mais forte a partir de um plasma a baixa temperatura e baixa energia. Usando o termo “baixa energia”, se o custo de energia para criar e acelerar o feixe for baixo em comparação com o calor e/ou energia que o feixe pode gerar, a fonte pode ser adequadamente descrita como uma fonte de baixa energia. Um recipiente de combustível é a fonte dos átomos usados para formar o plasma e é fixado na câmara de plasma. Um feixe de íons extraídos da câmara de plasma usando a energia elétrica potencial de eletrodos carregados será acelerado por aqueles eletrodos, convertendo a energia potencial dos eletrodos em energia cinética dos íons, que então impactarão um alvo em uma câmara de reação para gerar calor após impacto devido à energia cinética dos íons.

O calor gerado por energia cinética dos íons atingindo o alvo não requer uma reação de fusão a frio.

Portanto, uma característica importante dessa descrição é a capacidade de gerar calor por energia cinética, que pode ser suficiente para reduzir ou eliminar o calor gerado por fusão a frio.

As modalidades da presente invenção podem incluir um método pelo que o controlador alterna repetidamente entre enriquecer opcionalmente o alvo com íons de fusão a frio e/ou opcionalmente depositar material alvo adicional que pode ter sido ablacionado pelo feixe e, após o enriquecimento suficiente e/ou reparo terem sido obtidos e houver uma demanda por energia, usa o feixe de íons para impactar o alvo opcionalmente enriquecido e iniciar calor e opcionalmente manter a fusão a frio.

Uma vez que nem todo o combustível entrando na câmara de plasma é capturado no plasma, e uma vez que alguns dos íons que impactam o alvo não criarão uma reação nuclear, porém, ao invés disso, recombinarão de volta em gás combustível com os elétrons a partir de uma carga negativa leve que está sendo aplicada ao alvo, um aperfeiçoamento adicional é – como um subproduto de manutenção do nível de vácuo nas câmaras - capturar o gás combustível em excesso a partir das duas câmaras e reciclar o mesmo para o tanque de combustível e/ou câmara de plasma para ser usado como combustível para o plasma.

[00013] A energia dos íons extraídos a partir do plasma pode ser aumentada ao acelerar os mesmos usando eletrodos adicionais, resultando em íons com energia cinética superior. Em aplicações atuais do dispositivo para aplicações de pesquisa médica e física, um Quadrupolo de radiofrequência (RFQ) é usado em Neri, et. al. [citado acima], porém isso tem a desvantagem de exigir energia de entrada alta. Para superar esse impedimento, é aconselhável reverter aos designs anteriores dos aceleradores lineares originais idealizados por Cockcroft e Walton, que podem fornecer feixes de íons altamente acelerados em um custo muito baixo de energia de entrada após os eletrodos serem carregados [Cockcroft e Walton, Nature, 13 de fevereiro de 1932]. Usando tal dispositivo, um feixe de íons pode ser acelerado a qualquer nível exigido usando eletrodos de energia baixa, limitado somente por tamanho, peso e mantendo energias baixas o suficiente para evitar radiação indesejável a partir do impacto dos íons com o alvo. Breve Descrição dos Desenhos

[00014] Uma modalidade exemplificadora da presente invenção é ilustrada por meio de exemplo nos desenhos em anexo nos quais números de referência similares indicam elementos iguais ou similares e nos quais:

[00015] A figura 1 é uma representação diagramática de um dispositivo exemplificador no qual uma modalidade da presente invenção pode ser usada.

[00016] A figura 2 é uma representação diagramática de um dispositivo exemplificador capaz de apresentar lados alternativos do alvo para enriquecimento, reabastecimento e geração de calor opcionalmente suplementado por fusão a frio.

[00017] A figura 3 é uma representação diagramática de um dispositivo exemplificador que pode separar componentes de combustível ativos dos passivos e reciclar componentes de combustível em excesso para reutilização.

[00018] A figura 4 é uma representação diagramática de uma modalidade exemplificadora de um diagrama de transição de estado de um método para controlar os modos de enriquecimento opcional, geração de calor e fusão a frio opcional.

[00019] A figura 5 é uma representação diagramática de uma modalidade exemplificadora de um diagrama de transição de estado de um método para controlar os modos de calor e ou geração de energia quando o calor exigido é totalmente fornecido pela energia cinética do feixe de íons impactando o alvo. Descrição das modalidades

[00020] Nessa seção forneceremos uma descrição detalhada da modalidade preferida da invenção, mencionando em alguns casos alternativas que poderiam ser úteis em algumas aplicações.

[00021] A modalidade preferida pode ser usada em uma representação diagramática tal como na figura 1. É um atributo importante da invenção que modalidades da invenção possam ser aumentadas ou reduzidas para se encaixarem na aplicação, então não há escala referenciada nas figuras 1-

3.

[00022] Com referência à figura 1, a modalidade preferida da presente invenção incorpora um controlador (101) para controlar a geração de calor opcionalmente utilizando fusão a frio.

O controlador recebe entrada de uma variedade de sensores posicionados do início ao fim do dispositivo e controla a partida, interrupção, concentração de vácuo, fluxo de combustível, geração de plasma, extração de feixe de íons, densidade e foco e velocidade de feixe de íons, enriquecimento do alvo e fusão a frio no alvo, bem como recuperação de componentes de combustível não usados para reciclagem para serem usados novamente como combustível, aplicações de aquecimento, e geração de eletricidade entre outros parâmetros bem conhecidos por aqueles versados na técnica.

Para reduzir a complexidade na apresentação apenas alguns dos sensores e nenhuma das conexões (que podem usar fios elétricos, conexões óticas ou conexões sem fio) entre o controlador e o dispositivo são mostrados nas figuras; esses são facilmente fornecidos por aqueles versados na técnica.

Uma bateria de ciclo profundo (117) é opcionalmente incluída na modalidade preferida para iniciar a operação do dispositivo a partir de uma partida a frio, após o que o controlador mantém a carga na bateria em um modo para estender melhor sua vida e fornecer capacidade de nova partida no modo conhecido por aqueles versados na técnica.

Uma vez que o motor funcionará continuamente por longos períodos de tempo sem exigir interrupção ou nova partida, será possível fornecer a energia de partida a partir de uma bateria portátil levada até o motor para fins de partida não frequente, removendo a necessidade de incluir bateria de ciclo profundo (117) opcional.

[00023] A modalidade preferida incorpora uma câmara de reação (103) que contém o alvo (102). Para brevidade de explicação no resto dessa seção, por “alvo” queremos dizer um alvo que gera calor quando atingido pelo feixe de íons e que gera opcionalmente calor adicional usando fusão a frio. O alvo é mantido em um potencial negativo para fornecer elétrons para combinar com núcleos de feixe de íons que não são consumidos por fusão a frio ou alguma outra reação com o alvo. Na modalidade preferida quando fusão a frio é exigida o alvo é um metal ou liga de metal selecionado de um grupo normalmente consistindo nos elementos do Grupo 10 da Tabela Periódica em combinação com moléculas inertes tais como ZrO2, porém como mencionado na seção “Estado da Técnica” outros materiais alvo podem ser usados. Se a fusão a frio não for necessária, a seleção de materiais alvo em potencial é ampliada, permitindo a escolha de um material ou liga que seja particularmente impermeável à ablação pelo feixe de íons e possível deterioração por fragilização de hidrogênio se íons de hidrogênio forem usados. Na modalidade preferida o feixe de íons não obtém energia suficiente para causar ablação do alvo, porém pode haver aplicações onde tal ablação seria encontrada. A determinação de se e quanta fusão a frio é necessária em uma modalidade específica é feita ao perceber que o aumento da energia cinética da colisão de feixe de íons com o alvo para gerar mais calor aumenta as dimensões e o peso do dispositivo, cujo comprimento deve aumentar para incluir eletrodos de baixa energia adicionais à medida que energia cinética adicional é transmitida para o feixe de íons, e a altura, largura e peso dos quais deve aumentar para acomodar o isolamento adicional a partir do solo uma vez que mais aceleração envolverá a operação do dispositivo em tensões mais altas.

Calor adicional, que chamamos de calor auxiliar, gerado por partes operacionais do dispositivo tais como, porém, não limitado à câmara de plasma (106), as bombas (115, 116), a turbina (118) e o gerador ou alternador (119) pode ser encaminhado para o trocador de calor (105) para reduzir adicionalmente a necessidade de calor de fusão a frio (encaminhamento não ilustrado), com um aumento adicional em peso.

Portanto, quanto mais calor que pode ser fornecido por fusão a frio, menor e mais leve pode ser o dispositivo.

Outras considerações podem influenciar se deve incorporar a fusão a frio como uma fonte de calor primária ou suplementar, tais como a longevidade de material alvo mantendo a fusão a frio, a complexidade do regime de controle (vide as discussões da figura 4 e 5, abaixo) e mesmo questões reguladoras em uma jurisdição específica que poderiam limitar o uso de fusão a frio.

Assumimos que na modalidade preferida uma reação de fusão a frio será necessária, porque isso permitirá que um dispositivo menor e mais leve gere uma quantidade dada de calor e energia.

Na modalidade preferida o alvo de uma reação de fusão a frio é construído para conter os núcleos de combustível de enriquecimento firmemente dentro dos interstícios de treliça na preparação para fusão a frio, por exemplo, ao fabricar o alvo usando impressão 3D e/ou ao formar o alvo a partir de uma liga incluindo moléculas de distorção de treliça como ZrO2. A câmara de reação é parcialmente evacuada antes de e continuamente durante a operação para permitir o enriquecimento eficiente do alvo e subsequente reação de fusão a frio pelo feixe de íons (111). A evacuação é realizada por múltiplas bombas (116) em potencial que são capazes de liberar bem como reciclar o combustível não usado através do componente (110). Somente o caminho de reciclagem de volta para o recipiente de combustível é mostrado na figura 1. Para simplicidade, o caminho de liberação e um caminho opcional para reciclagem de combustível não usado diretamente de volta para a câmara de plasma (106) não são mostrados, entretanto, esses podem ser facilmente fornecidos por aqueles versados na técnica.

[00024] Assumindo que se deseja fusão a frio além de calor a partir do feixe de íons colidindo com o alvo, a modalidade preferida retém combustível para enriquecimento de um alvo de fusão a frio e para iniciar e manter a fusão a frio em um recipiente (109). Em uma implementação mais complexa, uma fonte adicional de íons alvo poderia ser fornecida para reabastecer o alvo caso se torne ablacionado pelas colisões com os íons no feixe de íons. Essa entrada adicional na câmara de plasma não é mostrada, porém poderia ser facilmente idealizada em um modo similar à câmara de combustível (109) e trocada para operação quando necessária. Na modalidade preferida, o combustível fornece gás D2 para a câmara de plasma, porém como observado na seção “Estado da Técnica” combustíveis alternativos são possíveis. A preferência para D2 deriva do fato de que D+ a partir do feixe de íons (111) incidindo sobre D+ enriquecido no alvo (102) resultando em uma reação de fusão a frio fornece somente hélio 4He, um gás inerte sem impacto ambiental negativo.

Alternativamente, qualquer combustível que formará um plasma sob a influência de uma fonte de entrada de baixa energia pode resultar em uma modalidade adequada.

Em particular, se a colisão de feixe de íons fornecer calor suficiente que fusão a frio não é necessária, então a escolha de combustíveis é ampliada para incluir, por exemplo, os gases inertes como hélio 4He entre outros; nesse caso então 4He não é produto de uma reação de fusão a frio, porém em vez disso seria uma fonte de íons para geração de calor por colisão com o alvo.

Se a fusão a frio não for necessária, então na modalidade preferida usaríamos cobre puro para o material alvo, uma vez que ele absorve íons que entram com distorção reversível, visto que os íons fervem novamente para dentro da câmara de reação.

A vantagem dos gases inertes como 4He em tal modalidade é sua capacidade de ser totalmente recuperado após colisão para reutilização como combustível.

O recipiente de combustível é fixado na câmara de plasma (106) com um acoplador de manter vácuo (112) comum na técnica de sistemas de fornecimento de gás.

O acoplador permite que o recipiente de combustível seja removido para reabastecimento ou troca com outro recipiente de combustível cheio ou parcialmente cheio.

Em uma implementação onde a fusão a frio não é necessária e, por exemplo, um gás inerte, como 4He é usado como o combustível então quase todo o gás inerte será recuperado e a necessidade de trocar o recipiente de combustível para reabastecer o combustível é removida (uma pequena quantidade de gás inerte pode permanecer na treliça de cobre). Nesse caso, o acoplador (112) pode ser de uma forma mais simples, mais permanente. A bomba (115) transfere o combustível para a câmara de plasma (106) sob as determinações do controlador (101) controlando a taxa de fluxo de combustível.

[00025] Um plasma em baixa temperatura, baixa energia (107) é mantido pelo controlador quando necessário na câmara de plasma e na modalidade preferida é criado por um gerador de microondas de baixa energia (108) conectado à câmara de plasma como descrito na literatura para fontes de próton para aceleradores lineares citados na seção “Estado da Técnica” [Neri, et. Al.]. Nesse contexto o termo “baixa energia” significa baixa em relação à energia que o dispositivo pode gerar.

[00026] Pelo menos um, porém normalmente um múltiplo de componentes elétricos (eletrodos) com frentes no formato de disco voltados para o plasma com furos no centro para passagem do feixe de íons (113) e zero ou mais componentes magnéticos (114) no formato de disco de baixa energia e/ou focagem permanente com furos nos centros para passagem do feixe de íons são ativados pelo controlador (101) para extrair o feixe de íons a partir do plasma quando necessário para enriquecimento do alvo, reabastecimento do alvo ou calor e opcionalmente fusão a frio. Para simplicidade diagramática somente um de cada componente (113, 114) é mostrado na figura 1, porém na modalidade preferida há uma pluralidade de cada um para controlar de perto a velocidade e o foco do feixe de íons como discutido no artigo citado na seção “Estado da Técnica” [Neri, et. Al.] e conhecido por aqueles versados na técnica. Na modalidade preferida, uma pluralidade de eletrodos de baixa energia e ímãs permanentes são intercalados entre si para obter um formato de feixe ótimo e velocidade para impactar a fração desejada da superfície alvo. O número e resistência desses dependem do requerimento de energia para o feixe de íons. Na modalidade preferida, além da extração de rotina do feixe de íons, eletrodos e ímãs adicionais são instalados para acelerar adicionalmente e focar o feixe de íons para obter a velocidade e o foco necessários para enriquecer a treliça alvo eficientemente durante o modo de enriquecimento, para reabastecer o alvo após ablação (caso haja), gerar calor por colisão com o alvo, e - durante um modo de fusão a frio opcional - auxiliar a superar a barreira Coulomb entre os íons D+ enriquecidos na treliça e os íons D+ de entrada no feixe. Na modalidade preferida os ímãs de focagem são ímãs de anel permanentes compreendidos, por exemplo, de liga de SmCo ou NeFeB para fornecer capacidade de focagem sem extrair energia. Ímãs permanentes de SmCo podem resistir a temperaturas mais altas do que ímãs de NeFeB. Porém, mesmo nesse caso, pode ser importante que os ímãs sejam isolados em temperatura a partir do resto do aparelho para reter temperaturas baixas o bastante para evitar deterioração (isolamento não desenhado).

[00027] Na modalidade preferida o calor a partir da colisão de feixe de íons com o alvo e a reação de fusão a frio opcional são transferidos através de um trocador de calor (105) para um conjunto de componentes (104) que utilizam o calor diretamente, para aquecer água e/ou aquecedores de espaço, por exemplo, e/ou transformar o calor em eletricidade.

Na modalidade preferida o trocador de calor (105) é uma caldeira de ponto de flash porque nossa revelação tem um ponto de calor focado, que é bem diferente de uma caldeira de geração de energia tradicional utilizando calor a partir de combustíveis fósseis queimando em uma câmara de fogo grande, ou a partir de uma fonte de calor geotérmica.

Na modalidade preferida o conjunto de componentes (104) é um sistema fechado compreendido por trocador de calor (105) contendo um líquido como água, porém, de preferência, um hidrocarboneto como pentano, que, por calor, é convertido em um vapor.

Para clareza, devemos mencionar que no uso da palavra “vapor” nos referimos ao estado gasoso do material no trocador de calor (105), como vapor se o material no trocador de calor for água, ou gás pentano se o material for pentano.

Na modalidade preferida pentano é usado porque ferve em uma temperatura mais baixa e não forma gotículas, desse modo prolongando a longevidade da turbina ou do motor a vapor.

O vapor aciona uma turbina (118) ou motor acionados por vapor.

Na modalidade preferida usaríamos uma turbina acionada por vapor devido a simplicidade de sua construção e consequente longevidade, porém qualquer motor acionado a vapor seria suficiente.

A turbina acionada por vapor (118) aciona um gerador ou alternador (119) produzindo energia elétrica, vapor usado a seguir sendo condensado de volta para a forma líquida em um condensador (120).

[00028] Na modalidade preferida o alvo (102) e o trocador de calor (105) são construídos de modo que porções do alvo podem estar esperando enriquecimento ou reabastecimento enquanto outras porções podem ser usadas para fusão a frio e vice-versa.

Na modalidade preferida a combinação de (102) é uma combinação denominada “unidade substituível no campo” de modo que o alvo possa ser periodicamente inspecionado e/ou substituído com mínimo esforço.

Na presente modalidade um sensor - por exemplo, uma medição de resistência de um lado do alvo em uma modalidade onde é isolado a partir dos outros lados - pode ser usado para determinar o grau no qual um lado do alvo foi enriquecido, como sabido por aqueles versados na técnica.

Uma modalidade alternativa é para o controlador simplesmente manter registro do tempo gasto enriquecendo e o tempo gasto ablacionando e/ou esgotando o lado alvo e usar as propriedades anteriormente medidas do alvo para determinar quando um lado está necessitando de reabastecimento ou está total ou parcialmente enriquecido.

A figura 2 é uma representação diagramática de um dispositivo exemplificador capaz de apresentar lados alternativos do alvo para enriquecimento, substituição por ablação e fusão a frio e/ou geração de calor cinético.

A modalidade preferida é compreendida de um eixo oco (202) fixo ao alvo (201) mostrado aqui como um objeto cúbico, porém muitos formatos geométricos com múltiplos lados são possíveis dependendo da aplicação.

A porção do eixo que passa através do alvo é compreendida de um material estreitamente casado com o alvo em expansão térmica.

Por exemplo, se o alvo fosse paládio, a expansão térmica seria de 11,8 m/(m*K) (a 25ºC), é bem combinado por Liga à Base de Cobre - C46400 também conhecida como Naval Brass. O restante do eixo (203) externo ao alvo é preferivelmente construído de materiais de isolamento térmico.

[00029] As extremidades do eixo fixas no alvo são fixadas em articulações resistentes à alta temperatura (204) que permitem que o alvo gire para ficar de frente para o feixe de íons como determinado pelo controlador. Os outros lados da articulação são fixados em eixos ocos fixos (203) que levam ao trocador de calor (105). Uma engrenagem (205) é fixada na porção do eixo fixada ao alvo para permitir rotação de precisão do eixo por uma engrenagem helicoidal (não mostrada) acionada por um motor de passo ou componente similar bem conhecido por aqueles versados na técnica. Uma alternativa para ou em combinação com o dispositivo da figura 2 é a capacidade (não desenhada) de mover o alvo verticalmente e/ou horizontalmente para apresentar porções diferentes do alvo para enriquecimento opcional, reabastecimento opcional, calor por colisão e opcionalmente por fusão a frio. O alvo necessita somente ser deslocado pelo diâmetro do feixe mais uma pequena margem para apresentar uma superfície nova para qualquer modo.

[00030] A figura 3 é uma representação diagramática de um dispositivo exemplificador capaz de reter um combustível líquido compreendido de componentes passivos e ativos que podem ser separados em combustível ativo e subproduto passivo em demanda. Na modalidade preferida, em que a fusão a frio é desejável, o recipiente de combustível (301) contém inicialmente combustível principalmente na forma de D2O comumente conhecido como Água Pesada, com o componente de combustível ativo sendo D2 e o componente de combustível passivo sendo O2. Em implementações alternativas qualquer combustível que possa fornecer íons no plasma que pode ser usado para efetuar calor e opcionalmente fusão a frio no alvo pode ser empregado.

O componente (323) é um aquecedor, sob determinações do controlador (acionado quando o sistema não está em operação pela bateria (117) e quando o sistema está em operação por calor a partir do alvo), que assegura que o conteúdo do recipiente seja mantido em uma forma líquida em ambientes de baixa temperatura.

Em uma modalidade alternativa o recipiente de combustível contém gás D2 comprimido possivelmente mesmo até a forma líquida, ou similarmente gás H2 ou mesmo onde a fusão a frio não necessária algum(ns) outro(s) elemento(s) tal como 4He.

Tal recipiente é mais simples do que aquele mostrado na figura 3. Não obstante, no caso em que fusão a frio é necessária para obter temperaturas operacionais, isso não é preferido porque o gás hidrogênio é um combustível com oxigênio no ar em uma reação química fortemente exotérmica, que poderia apresentar um risco caso um acidente ocorresse durante transporte ou operação.

A Água Pesada não é combustível nem muito tóxica e com um gás inerte enchendo as porções de câmara de gás do recipiente (306, 307) durante transporte e armazenagem ou quiescência estendida, o recipiente permanece totalmente seguro.

[00031] Na modalidade preferida o recipiente (301) inclui câmaras (302, 304) para isolar o componente ativo do componente passivo.

Usando eletrólise simples, o catodo (303) produz gás D2 e o anodo (305) produz O2. O gás D2 é coletado na câmara ativa (306) e o gás O2 é coletado na câmara passiva (307). À medida que o líquido é consumido, o controlador usa o sensor (324) para ler e reportar o nível de combustível para o operador.

Durante a partida, os primeiros sensores (315, 316) são lidos para determinar que não há líquido apreciável nas câmaras de gás.

Na modalidade preferida, o dispositivo não iniciará com líquido apreciável em qualquer câmara indicando que o dispositivo não está horizontal o suficiente para manter o gás na(s) câmara(s). Em uma modalidade possível, o recipiente de combustível inteiro (301) pode ser montado em articulações para acomodar a operação quando o dispositivo não está substancialmente vertical.

Adicionalmente, o recipiente de combustível (301) pode ser montado em um dispositivo centrífugo para operação fora de qualquer campo gravitacional apreciável.

Bombas (317, 318) descarregam qualquer gás inerte que possa ter sido adicionado para transporte a partir das câmaras para a atmosfera ou para coleta através de aberturas (313, 314), então os componentes de combustível ativo e passivo são gerados.

Após quantidades suficientes de componentes serem atingidas, o componente de combustível ativo D2 é fornecido sob as determinações do controlador (101) pela bomba (317) para a câmara de plasma através de um conduto (308).

[00032] Durante a operação, o componente de combustível passivo O2 é transferido pela bomba (318) através do conduto (309) para a câmara de recombinação (310). Aqui, pressão e outros parâmetros são monitorados pelo sensor (312). Combustível D2 em excesso não usado no plasma ou na reação de fusão a frio entra através do conduto (311, 110) para ser combinado com o O2 de volta para D2O por meios bem conhecidos por aqueles versados na técnica. A transferência de combustível D2 em excesso ou 4He não usado no plasma ou o calor e opcionalmente também reação de fusão a frio diretamente para a câmara de plasma é uma modalidade alternativa não ilustrada. Quando de acordo com o sensor (312) há Água Pesada suficiente acumulada, a bomba (320) transfere a mesma de volta para o recipiente de combustível (301) através do conduto (321). O gás hélio que resta após a reação de recombinação, juntamente com O2 em excesso, é liberado para a atmosfera ou para coleta para reciclagem pela bomba (319) através do conduto (322).

[00033] A modalidade preferida inclui um método para guiar a atividade do controlador (101) para dar partida, enriquecer o alvo com íons de combustível, iniciar e manter a fusão a frio, reverter para enriquecimento do alvo quando não necessitar de calor a partir da fusão a frio, e reverter para fusão a frio quando calor for necessário, entrar em um estado de espera, e desligamento. A figura 4 é uma representação diagramática de uma modalidade exemplificadora de um diagrama de transição de estado de um método para controlar esses estados, assumindo que a fusão a frio seja utilizada. O controlador (101) tem funções adicionais de monitoramento e controle não mostradas na figura 4, que podem ser facilmente fornecidas por aqueles versados na técnica. Também, se a fusão a frio não for necessária e o calor for somente fornecido pela colisão do feixe de íons com o alvo e ou calor auxiliar a partir de partes operacionais, a figura 4 pode ser modificada por qualquer pessoa versada na técnica, com a figura 5 sendo um resultado exemplificador. Similarmente, se o alvo requeresse reabastecimento com átomos alvo que foram perdidos para ablação pelo feixe de íons, a figura 4 pode ser modificada para acomodar esse caso também por qualquer pessoa versada na técnica. O que se segue agora é uma modalidade simplificada, sobre a qual muitos aperfeiçoamentos podem ser introduzidos, que assume o uso de fusão a frio para gerar calor, e nenhuma ablação apreciável do alvo no processo. Nosso objetivo aqui é revelar uma modalidade exemplificadora que permitirá aqueles versados na técnica implementar a invenção com quaisquer modificações para adequar sua aplicação facilmente adotada como requerido por aqueles versados na técnica.

[00034] Na modalidade preferida o controlador do dispositivo (101) inicia quando instalado no estado (401) ao liberar o gás inerte armazenado nas câmaras de coleta (306, 307) para transporte. À medida que o gás inerte é liberado, alguma eletrólise inicial enche as câmaras (306) e (307) com componentes de combustível ativo e passivo respectivamente, e após as câmaras estarem cheias até a pressão de partida, o controlador entra no estado inativo (402). Todas as funções são interrompidas nesse estado, exceto a bateria opcional (117) que pode, se presente, acionar o controlador, o aquecedor (323) e quaisquer outros componentes críticos não detalhados na presente invenção. Quando um comutador de partida comum na técnica é ligado, o dispositivo entra no estado (403) em que a eletrólise reinicia e o componente de combustível ativo é novamente gerado. Após o combustível ser continuamente disponível, um estado (404) é iniciado, em que o fluxo de combustível e o feixe de íons são ajustados para enriquecimento do alvo com íons. Enquanto o combustível estiver fluindo, câmaras são ativamente mantidas em vácuo parcial e qualquer combustível não usado é reciclado para ser reutilizado. Quando o feixe de íons estiver pronto, um estado é iniciado onde o lado não totalmente enriquecido, menos esgotado é apresentado para confrontar o feixe de íons (405). Se os lados do alvo forem ligados para esgotamento, um tiebreaker é implementado, tal como o lado mais próximo ao feixe de íons é selecionado. Quando o lado é enriquecido, o que pode ser determinado pelo tempo ou por sensor, se o calor não for requerido, o estado (405) é iniciado novamente para apresentar o próximo lado não totalmente enriquecido, menos esgotado para o feixe de íons.

[00035] Quando todos os lados são totalmente enriquecidos e o calor não é imediatamente requerido, um estado de espera (406) é iniciado. O plasma é retido ativo, porém o combustível somente necessita gotejar para substituir qualquer plasma perdido para a câmara de plasma.

A reciclagem de combustível é mantida como necessária para reter o vácuo parcial em ambas as câmaras. Para conservar bateria durante períodos prolongados, o controlador pode ser configurado para entrar no estado inativo (402) após comando do operador ou automaticamente após certo tempo ter decorrido no estado de espera. Quando o calor é necessário, o estado (407) é iniciado a partir do estado de espera (406).

[00036] Voltando novamente ao estado (405), se um lado for enriquecido e calor for necessário urgentemente, então o enriquecimento adicional é adiado e o método entra no estado (407) em que o fluxo de combustível e o feixe de íons são ajustados para fusão a frio. Após o feixe de íons estar pronto, a fusão a frio é mantida no estado (408). Se durante a fusão a frio o controlador detectar que calor suficiente foi gerado nesse momento, o estado (404) é iniciado novamente. Por outro lado, se o estado (408) persistir até o enriquecimento ser esgotado no presente lado, determinado por sensor ou por temporização, o estado (409) é iniciado e o próximo lado menos esgotado é apresentado ao feixe de íons e o estado (408) é iniciado novamente, assumindo que pelo menos um lado retém um pouco de enriquecimento. Se todos os lados forem esgotados, o estado (409) é deixado por um reiniciamento no estado (404).

[00037] O controlador é capaz de uma ampla variedade de aperfeiçoamentos nesse método, que poderiam ser úteis em aplicações específicas. Para dar um exemplo, enquanto no estado (405) poderia ser desejável fazer transição para o estado (407) antes que qualquer lado seja totalmente enriquecido. Isso dependeria da urgência da necessidade de começar a gerar calor e o período de tempo para o qual o calor será necessário antes que o enriquecimento adicional seja necessário. Um número grande de tais detalhes são deixados para uma aplicação específica, e facilmente implementados por aqueles versados na técnica.

[00038] A figura 5 é uma representação diagramática de uma modalidade exemplificadora de um diagrama de transição de estado de um método para controlar (101) o dispositivo quando a fusão a frio não é necessária, porque todo o calor necessário para aquecimento e geração de energia é fornecido pelo feixe de íons opcionalmente acelerado impactando o alvo. Isso é obviamente um regime de controle muito mais simples do que a figura 4, uma vez que não requer muitas das características que podem ser necessárias para manter as reações de fusão a frio. Na modalidade preferida onde todo o calor é gerado pela energia cinética dos íons impactando o alvo, o combustível seria hélio 4He e o alvo pode ser composto de cobre puro. O hélio é escolhido porque pode ser ionizado pelo dispositivo de microondas de baixa energia anteriormente discutido de modo que a energia de entrada necessária pode ser retida bem abaixo da energia de saída gerada. Além disso, o hélio é improvável de combinar quimicamente com o alvo ou as paredes interiores do plasma ou câmaras de reação, aumentando a longevidade do dispositivo. Entretanto, qualquer outro íon pode ser usado. Similarmente, o cobre puro é escolhido como o alvo devido a suas excelentes propriedades de transferência de calor, alto ponto de fusão, capacidade de inverter quaisquer distorções transmitidas pelas colisões e relutância em combinar com íons que entram. Entretanto, qualquer outro material do alvo com características similares poderia ser usado.

[00039] No caso em que o calor é fornecido por energia cinética dos íons que entram colidindo com o alvo e opcionalmente por calor auxiliar a partir do(s) componente(s) operacional(is), de modo que nenhuma fusão a frio seja necessária, o controlador (101) começa no estado inativo (501). O controlador (101) tem funções adicionais de monitoramento e controle não mostradas na figura 5, que podem ser facilmente fornecidas por aqueles versados na técnica. Quando o comutador de partida é ligado, o controlador entra no estado de espera (502) no qual o plasma está sendo gerado. Quando calor é necessário, o estado (503) é iniciado e o feixe é ajustado na quantidade de calor necessária ao ativar o número requerido de eletrodos. Após o feixe ter sido ajustado, o controlador entra no estado (504) em que o feixe de íons colide com o alvo, gerando a quantidade requerida de calor. Se a quantidade de calor necessitar um ajuste, então o estado (503) é iniciado novamente, e se não for mais necessário calor, então o estado (502) é iniciado novamente. Após desligamento, o controlador retorna para o estado inativo (501). Há uma ampla variedade de possíveis aperfeiçoamentos que podem ser adicionados à figura 5, por exemplo, um estado em que o alvo é reabastecido com íons alvo se o alvo estiver experimentado ablação devido ao feixe de íons de entrada, ou incorporação de vários elementos da figura 4 para manter a fusão a frio se isso for necessário na aplicação. Deixamos que esses aperfeiçoamentos sejam adicionados como necessário para uma aplicação específica por aqueles versados na técnica.

[00040] As figuras 4 e 5 representam dois extremos de regimes de controle que poderiam ser implementados em uma dada aplicação. Como observado acima, a quantidade de calor fornecida por energia cinética, componentes auxiliares e fusão a frio é uma decisão de design em uma dada implementação e na realidade pode variar durante a aplicação como necessário. Se uma mistura de calor de fusão a frio, auxiliar e cinética for desejada em uma dada aplicação, então o combustível na modalidade preferida seria D2. Isso evita a complexidade de comutação entre D2 e 4He durante a operação. Entretanto, uma implementação que muda e mesmo que combina esses combustíveis é possível, e pode ser escolhida se apropriada para a aplicação específica. Similarmente, quando calor de fusão a frio está sendo gerado juntamente com cinética e possivelmente calor auxiliar, então a modalidade preferida usaria uma liga do Grupo 10 para o alvo, que, como observado acima, auxilia na promoção de fusão a frio. Entretanto, uma mistura de alvo pode ser usada e materiais poderiam ser também alternados durante a operação conforme requerido, usando um mecanismo similar àquele exemplificado pela figura 2.

[00041] Quando alguma mistura de calor de colisão do feixe de íons cinético, calor auxiliar e calor de fusão a frio são empregados em uma aplicação específica, então o regime de controle efetivo será alguma combinação das figuras 4 e 5, os combustíveis podem ser uma mistura ou alteração de materiais, e o alvo pode ser uma mistura ou alteração de materiais.

Devido ao grande conjunto possível de combinações desses componentes, não é exequível delinear todas as possibilidades individualmente.

Que há uma ampla faixa de flexibilidade disponível será imediatamente claro para qualquer projetista versado na técnica, que pode então à luz de uma aplicação específica, fazer as melhores escolhas de regimes de controle e materiais.

Um benefício claro dessa revelação é que a faixa ampla de escolhas de design permite que um dispositivo seja criado e ser moldado especificamente para a aplicação.

Muitos dos atributos mais importantes dessa revelação são benéficos para todos os designs possíveis.

Por exemplo, todas as implementações participam nos benefícios de um design mecânico simplificado com poucas partes móveis, a maioria das quais são mancais conhecidos por terem uma vida muito longa.

Claims (30)

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo (Figura 1) caracterizado pelo fato de que inclui um controlador (101) para gerar uma reação de fusão a frio em um alvo (102) em uma câmara de reação (103) retida em vácuo parcial sendo alimentada com um feixe de íons a partir de uma câmara de plasma para colidir com o alvo, gerando calor de fusão a frio, o calor da referida reação sendo transmitido a um segundo conjunto de dispositivos (104) por um mecanismo de troca de calor (105), possivelmente algum dos dispositivos do referido segundo conjunto de dispositivos convertendo o calor em eletricidade com possivelmente outros usando o calor diretamente, em que o aprimoramento inclui: uma microonda de baixa potência (108) criando e mantendo um plasma (107) na câmara de plasma (106) conectada à câmara de reação; um recipiente de combustível (109) conectado à câmara de plasma para fornecer combustível à câmara de plasma; o método pelo qual o controlador alterna repetidamente entre primeiro enriquecer o alvo para fusão a frio e segundo iniciar e manter a fusão a frio (401-409); e um dispositivo (110) para extrair combustível não utilizado de ambas as câmaras para ser reciclado para ser usado novamente como combustível fornecido ao recipiente de combustível e/ou à câmara de plasma.

2. Dispositivo (Figura 1) caracterizado pelo fato de que inclui um controlador (101) para gerar uma reação de fusão a frio em um alvo (102) em uma câmara de reação (103), o calor da referida reação sendo transmitido para um segundo conjunto de dispositivos (104) por um mecanismo de troca de calor, possivelmente algum dos dispositivos do referido segundo conjunto de dispositivos convertendo o calor em eletricidade com possivelmente outros usando o calor diretamente, em que o aprimoramento inclui: a câmara de reação extraindo um feixe de íons (111) que cria fusão a frio no alvo (102) a partir de um plasma de baixa energia e baixa temperatura (107) criado por um dispositivo de microonda (108) ligado a uma câmara de plasma (106) ligada à câmara de reação; sendo o referido plasma alimentado com combustível por um recipiente de combustível (109) fixado à câmara de plasma para fornecer o feixe de íons à câmara de reação; incluindo ainda um dispositivo (110) para extrair combustível não utilizado da câmara de reação e sua câmara de plasma anexada para ser reciclado para o recipiente de combustível ou para a câmara de plasma para ser usado novamente como combustível.

3. Dispositivo (Figura 1) caracterizado pelo fato de que inclui um controlador (101) para gerar um plasma em uma câmara de plasma retida em vácuo parcial a partir do qual um feixe de íons é desenhado para efetuar uma reação de fusão a frio em um alvo (102) em uma câmara de reação (103) também retida em vácuo parcial e ligada à câmara de plasma, o calor da referida reação sendo transmitido a um segundo conjunto de dispositivos (104) por um mecanismo de troca de calor (105), possivelmente algum dos dispositivos do referido segundo conjunto de dispositivos convertendo o calor em eletricidade com possivelmente outros usando o calor diretamente, em que o aprimoramento inclui: uma câmara de plasma (106) na qual um plasma de baixa energia e baixa temperatura (107), criado por um dispositivo de microonda (108) e alimentado com combustível por um recipiente de combustível (109), fornece um feixe de íons (111) para a câmara de reação anexada para impactar sobre o alvo; incluindo ainda um dispositivo (110) para extrair combustível não utilizado a partir da câmara de plasma e sua câmara de reação anexada para ser reciclado para a câmara de plasma ou para o recipiente de combustível para ser usado novamente como combustível.

4. Método controlado por um controlador (101) para iniciar e manter uma reação de fusão a frio em uma câmara de reação (103), caracterizado pelo fato de primeiro enriquecer um alvo (102) para prepará-lo para a fusão a frio e então iniciar a fusão a frio, cujo calor pode ser usado por um segundo conjunto de dispositivos (104), possivelmente algum dos dispositivos do referido segundo conjunto de dispositivos convertendo o calor em eletricidade com possivelmente outros usando o calor diretamente, com o aprimoramento incluindo: começando em um estado ocioso (401); um estado para responder a um comando de partida resultando na ventilação do gás inerte usado para transporte e armazenamento seguros (402); um estado para iniciar a geração de combustível (403); um estado para ajustar o fluxo de combustível e um feixe de íons para enriquecimento (404); um estado para virar um lado não enriquecido ou parcialmente enriquecido do alvo para o feixe de íons (405); um estado de espera (406) em que o plasma é retido, mas nem o enriquecimento nem a fusão a frio estão ocorrendo; um estado para ajustar o fluxo de combustível e o feixe de íons para fusão a frio (407); um estado em que a fusão a frio é mantida para produzir calor ativamente (408) para ser usado possivelmente diretamente e possivelmente para gerar eletricidade; e um estado em que o lado menos esgotado do alvo é voltado para o feixe de íons (409) para continuar a fornecer calor a partir da fusão a frio.

5. Dispositivo e método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aprimoramento inclui: eletrodos adicionais de baixa potência (113) e ímãs (114) para acelerar e focalizar o feixe de íons, reduzindo ou eliminando, assim, a necessidade de uma reação de fusão a frio e potencialmente eliminando o método opcional em que o controlador alterna repetidamente entre primeiro enriquecer o alvo para fusão a frio e segundo iniciar e manter a fusão a frio (401-409).

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o aprimoramento inclui: opcionalmente, acelerar mais o feixe de íons (111) usando eletrodos de baixa potência (113) e focalizar o feixe com ímãs de baixa potência ou permanentes (114) criando calor a partir do impacto do feixe de íons com o alvo para reduzir ou eliminar a necessidade de uma reação de fusão a frio e para o referido feixe de íons também enriquecer opcionalmente o alvo (102).

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o aprimoramento inclui: eletrodos de baixa potência adicionais (113) para acelerar e ímãs (114) para focalizar os íons que vão impactar sobre o alvo, gerando, assim, calor a partir do impacto e reduzindo ou eliminando a necessidade de fusão a frio.

8. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o aprimoramento inclui: tal método sendo prontamente modificado para incorporar um conjunto mais simples de estados (Figura 5) onde a fusão a frio é reduzida ou não é necessária, reduzindo ou eliminando, assim, a necessidade de residir em muitos dos estados na Figura 4 (403-405 e 407-409).

9. Método controlado por um controlador (101) para iniciar e manter o calor em uma câmara de reação (103), caracterizado pelo fato de que o calor pode ser usado por um segundo conjunto de dispositivos (104), possivelmente alguns dos dispositivos do referido segundo conjunto de dispositivos usam o calor diretamente com possivelmente outros convertendo o calor em eletricidade, com o aprimoramento incluindo: começar em um estado ocioso (501) que é um estado para responder a um comando de partida; um estado de espera (502) em que o plasma é retido, mas um feixe não está sendo extraído; um estado (503) onde o volume e a velocidade do feixe de íons são ajustados usando eletrodos de baixa potência (113) e a forma é ajustada usando ímãs de baixa potência ou permanentes (114) para a quantidade de calor necessária; um estado (504) em que o calor é gerado pelo impacto de íons com um alvo para ser usado possivelmente diretamente e possivelmente para gerar eletricidade; tal método sendo prontamente modificado para incorporar modos (Figura 4) em que a fusão a frio é necessária e também separadamente em que o alvo precisa ser reposto com átomos perdidos para ablação pelo feixe de íons.

10. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com a reivindicação 4 ou 8, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um meio para o controlador determinar se uma porção do alvo é suficientemente enriquecida para permitir que a fusão a frio comece.

11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4, 8 e 9, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: tendo vários modos opcionais distintos controlados pelo controlador (Figura 4, Figura 5); incluindo um método e dispositivos (113, 114) para controlar a velocidade, forma, densidade e foco de um feixe de íons (111) extraído a partir do plasma de forma diferente por modos diferentes (404, 407, 503); incluindo um modo no qual o calor e, opcionalmente, uma reação de fusão a frio é criada pela colisão de íons em um lado do alvo, gerando assim calor (408, 504); incluindo um modo no qual o alvo é enriquecido com íons de impacto (405); incluindo um modo no qual o plasma é mantido intacto, mas nenhum feixe de íons é extraído (406, 502); incluindo um modo no qual o plasma é colapsado para moléculas de combustível e nenhum feixe de íons pode ser extraído (401); incluindo um modo para ventilar gás inerte instalado no recipiente de combustível para transporte (402); incluindo um modo para gerar combustível para o dispositivo (Figura 3) de modo que o combustível de entrada possa ser prontamente transformado em um plasma de baixa potência e baixa temperatura (403), e incluindo um modo em que o alvo possa ser reposto com átomos para substituir qualquer um dos que foram perdidos devido à ablação pelo feixe de íons.

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um modo (405) em que um alvo (Figura 2) com vários lados (201) pode ser rotacionado e cada lado sucessivamente enriquecido com íons absorvidos no alvo.

13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um meio (não desenhado) para mover o alvo e/ou focalizar o feixe de íons de modo que o feixe de íons possa se focalizar em uma porção da superfície do alvo para enriquecer o alvo; e incluir um meio (113, 114) para mover e/ou focalizar o feixe de íons em uma porção do alvo para iniciar e manter a reação de fusão a frio.

14. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com a reivindicação 4 ou 8, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: em que o recipiente (109) do combustível para criar uma reação de fusão a frio inclui um meio (112) por meio do qual pode ser anexado e desanexado com uma perda mínima de combustível.

15. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4, 8 e 9, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: em que o combustível contido no recipiente (109) está na forma de um gás ou de um gás comprimido, gás esse que pode ser ainda parcialmente comprimido em um líquido e/ou em uma forma sólida.

16. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com a reivindicação 4 ou 8, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: em que o recipiente de combustível (109, 301) contém um líquido composto por um conjunto de componentes de combustível ativos e um conjunto de componentes de combustível passivos, incluindo um conjunto de dispositivos (301-307) e um método para separar o conjunto de componentes de combustível ativos do conjunto de componentes de combustível passivos.

17. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado pelo fato de que inclui o meio (323) para aquecer o recipiente de combustível (301) de modo que o líquido não congele em ambientes de baixa temperatura.

18. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um dispositivo e um método em que as câmaras de separação (306, 307) podem ser cheias com gás inerte para transporte.

19. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um dispositivo e um método em que as câmaras de gás separadas (306, 307) podem ser evacuadas em preparação para a operação de inicialização e cheias com seus respectivos componentes operacionais.

20. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: monitor(es)

(315, 316) para detectar que a(s) câmara(s) de extração de gás estão cheias com combustível líquido devido a perturbações durante o transporte ou acidente; incluindo o método que após a referida detecção o combustível é impedido de fluir e toda a reação é colocada no modo de desligamento.

21. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um método que inicia a operação do dispositivo somente após as câmaras de gás (306, 307) terem sido evacuadas de gás inerte e recarregadas com componentes ativos e passivos, respectivamente.

22. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um dispositivo e um método em que o(s) componente(s) passivo(s) (307) podem ser ventilados para a atmosfera (313) a critério do controlador (101).

23. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um dispositivo e um método em que o componente passivo coletado (307) pode ser recombinado em uma câmara de recombinação (310) com o componente ativo (311) recuperado das câmaras para reabastecimento através de uma bomba (320) e de um conduto (321) do recipiente de combustível (desenhado) e/ou da câmara de plasma (não desenhado).

24. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um dispositivo (Figura 2) e um método (Figura 4), em que o dispositivo é comutado para o modo de enriquecimento durante os períodos em que o enriquecimento é necessário e o calor não é necessário, e em que o dispositivo é comutado para o modo de aquecimento e fusão a frio opcional quando o calor é necessário e, opcionalmente, de forma semelhante, para reposição da superfície do alvo após a ablação pelo feixe de íons.

25. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um método pelo qual o alvo (102, 201) é rotacionado de modo que o lado do alvo sendo apresentado para enriquecimento pelo feixe de íons não esteja totalmente enriquecido ou, opcionalmente, de forma semelhante, em que o lado do alvo está sendo apresentado para reposição onde o lado do alvo foi ablacionado.

26. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um dispositivo em que o alvo é fixado a um eixo (202) ortogonalmente ao feixe de íons, mas paralelo ao eixo de rotação, e o eixo fixado ao alvo (202) é fixado ao alvo (201) e é conectado em linha a um eixo fixo (203) usando uma articulação (204) de modo que a primeira seção de eixo fixado ao alvo pode ser rotacionada usando uma engrenagem (205) para apresentar o lado apropriado do alvo ao feixe.

27. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4, 8 e 9, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: os eixos (202, 203) são feitos de material de isolamento térmico, exceto onde eles entram em contato com o alvo onde são preferencialmente feitos de material condutor de calor, são ocos e dentro dos quais flui um líquido ou um gás para transferir calor do alvo para um dispositivo para aquecimento e/ou para converter o calor em eletricidade.

28. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que inclui ainda componentes compreendendo um trocador de calor (105), um motor ou uma turbina movida a vapor (118), um gerador (119) e um condensador (120) para a produção de eletricidade, em que o vapor é pentano ou outro composto de hidrocarboneto ou água.

29. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com a reivindicação 4 ou 8, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um método para modificar a criação do alvo para melhorar a eficácia do processo de enriquecimento e/ou das reações de fusão a calor ou frio, em que o alvo é formado por impressão 3D.

30. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 e 5 a 7, ou método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4, 8 e 9, caracterizado pelo fato de que inclui ainda: um dispositivo para estender o trocador de calor (105) para obter calor auxiliar a partir de vários componentes do dispositivo, incluindo possivelmente a câmara de plasma (106), as bombas (115, 116), o motor ou a turbina movida a vapor (118) e/ou o gerador (119), reduzindo ou mesmo eliminando a necessidade de calor a partir da fusão a frio e/ou da energia cinética do feixe de íons.

A Requerente envia a seguir nova via das reivindicações.