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Ele formou-se no instante inicial do Big Bang, antes de quase todos elementos. A humanidade o conhece há apenas 200 anos, graças também a um brasileiro ilustre. Será cada vez mais disputado – e central – se superarmos os combustíveis fósseis
Por Jacob Baynham, noNoema
| Tradução: Glauco Faria
MAIS:O texto a seguir – quase uma aula de jornalismo cultural e científico – permite compreender as origens, a natureza e as características quase únicas de um metal cada vez mais presente na vida social, na economia e na ecologia contemporâneas. Para examinar as disputas geopolíticas em torno dele, Outras Palavras sugere:Uma OPEP do lítio na América Latina?
Ato I: (Muito) no começo
O universo nasceu pequeno, inimaginavelmente denso e furiosamente quente. No início, tudo era energia contida em um volume de espaço que explodiu em tamanho por um fator de 100 septilhões em uma fração de segundo. Imagine isso como uma única célula que se torna do tamanho da Via Láctea quase instantaneamente. Partículas elementares como quarks, fótons e elétrons estavam se chocando umas contra as outras com tamanha violência que nenhuma outra matéria poderia existir. O cosmos primordial era um smoothie em brasa em um liquidificador.
Um segundo após o Big Bang, o universo em expansão estava a 10 bilhões de graus Kelvin. Quarks e glúons haviam se fundido para formar os primeiros prótons e nêutrons, que colidiram ao longo de alguns minutos e ficaram presos em diferentes configurações, formando os núcleos dos três primeiros elementos: dois gases e um metal leve. Nos 100 milhões de anos seguintes, aproximadamente, esses seriam os únicos elementos no vasto e imaculado tecido do espaço antes que as primeiras estrelas se acendessem como fornalhas no escuro para forjar todas as outras matérias.
Quase 14 bilhões de anos depois, no terceiro planeta rochoso orbitando uma jovem estrela em um braço distal de uma galáxia espiral, formas de vida inteligentes dariam nomes a esses três primeiros elementos. Os dois gases: hidrogênio e hélio. O metal: lítio.
Esta é a história desse metal, um elemento poderoso, promissor e, de certa forma, ainda misterioso, no qual essas formas de vida inteligentes – ainda sozinhas no universo, até onde sabem – depositaram suas esperanças de sobrevivência em um planeta aquecido por seus excessos.
Os cientistas geralmente não consideram legal antropomorfizar, mas, como não sou cientista, posso dizer que se o lítio fosse um amigo, seria o tipo de amigo que é humilde e despretensioso, mas que também parece estar em todos os lugares ao mesmo tempo, fazendo coisas realmente fabulosas e importantes. O lítio, em minha imaginação, é a inveja dos outros elementos.
“Sou um grande fã do lítio”, disse-me recentemente o astrônomo Brian Fields por telefone. “É o terceiro elemento mais simples. E ainda assim, ele sempre nos surpreende.” Fields leciona astronomia e física na Universidade de Illinois Urbana-Champaign. Ele é especialista em um campo chamado evolução química galáctica, que busca explicar a origem dos elementos no universo.
“O lítio tem uma das histórias mais complexas”, disse Fields. “O oxigênio que você respira, o carbono do seu DNA, o ferro do seu sangue – tudo isso veio depois, das estrelas. Mas o lítio vem direto do Big Bang.”
A nucleossíntese do Big Bang, como é chamada, produziu primeiro o hidrogênio, o elemento mais simples, mais leve e mais abundante – 75% da massa do universo recém-nascido. O hélio foi formado em seguida e representa a maior parte da massa restante. O lítio foi criado por último, em quantidades minúsculas – um átomo de lítio para cada 2 bilhões de átomos de hidrogênio. Os elementos pesados, como o ouro, são geralmente os mais raros do universo. O lítio é um elemento atípico – o terceiro mais leve e, ainda assim, “quase não existe”, disse Fields.
O lítio é incomum entre os elementos em outros aspectos. É o único que conhecemos em que uma quantidade significativa é elaborada em todos os três processos de produção de elementos: o próprio Big Bang, dentro das estrelas e quando os raios cósmicos atingem e fragmentam partículas díspares no espaço. Essas colisões, chamadas de espalação [tipo de reação nuclear causada quando uma partícula ou fóton de alta energia atinge um núcleo e provoca a emissão de prótons, nêutrons e outras partículas. N.E.] de raios cósmicos, resultam em átomos desorganizados que se remontam com números variados de prótons e nêutrons, como um Sr. Cabeça de Batata intergaláctico. (O berílio, encontrado nas esmeraldas, também é produzido dessa forma).
Por serem criadas a partir de nuvens rodopiantes de matéria no cosmos, todas as estrelas nascem com lítio. Mas as fontes de lítio no universo têm, desde o final da década de 1980, apresentado aos astrônomos um problema estranho. Como Fields me disse, os astrônomos que estudam a abundância de elementos após o Big Bang criaram cálculos complexos que levam em conta a expansão do universo, as reações nucleares e o comportamento de partículas subatômicas como fótons e neutrinos. A matemática é perfeita para o hidrogênio e o hélio – as medições correspondem às previsões. O mesmo não acontece com o lítio – apenas um terço ou menos da quantidade esperada de lítio é observável no universo. “Nós os chamamos como os vemos na astrofísica”, disse Fields, ‘então chamamos isso de problema do lítio’.
Então, para onde foi tudo isso? Os astrônomos tentaram responder a essa pergunta treinando seus telescópios nas estrelas mais antigas. Ann Boesgaard, professora emérita de astronomia da Universidade do Havaí e pioneira na evolução química galáctica, estuda estrelas distantes na galáxia, algumas com mais de 11 bilhões de anos. “Por causa do tempo de viagem da luz”, disse ela, ‘quanto mais longe você olha, mais próximo está do início do universo’. Assim como os fósseis, as estrelas deveriam contar a história de como os elementos se desenvolveram ao longo do tempo. Mas a quantidade de lítio que Boesgaard mediu nessas estrelas ainda é apenas 60% da quantidade que os astrônomos preveem que estava presente no início do universo.
O lítio, explicou Boesgaard, é um elemento extremamente frágil com um núcleo pouco ligado. Quando fica muito quente, ele é destruído. Dentro das estrelas, as correntes convectivas agitam seu conteúdo em diferentes zonas de temperatura, puxando o lítio para o centro mais quente. “A 2,5 milhões de graus Kelvin, os átomos de lítio estão nas nuvens”, disse ela. Nessa temperatura, o lítio passa por reações nucleares e é convertido em hélio. Talvez a discrepância entre a quantidade observada e a esperada de lítio no universo se deva ao fato de grande parte dele estar sendo consumida dentro das estrelas. Mas com que rapidez? “Estamos olhando para as estrelas mais antigas e ainda não conseguimos encontrá-lo”, disse Boesgaard.
Mais perto de casa, nossa estrela parece apoiar essa hipótese. Katharina Lodders, uma cosmoquímica da Universidade de Washington em St. Louis, analisa meteoritos antigos para entender a abundância elementar em nosso sistema solar quando o sol nasceu há cerca de 4,6 bilhões de anos. Ela compara sua composição à do sol, que responde por mais de 99% da massa do nosso sistema solar e, portanto, deve refletir sua proporção de elementos. A distribuição de quase todos os elementos nesses meteoritos corresponde à do sol.
Mas não o lítio. Astrônomos que estudam o sol por espectroscopia encontram muito menos do que esperariam. As correntes de convecção do sol devem estar arrastando os átomos de lítio para dentro de si e destruindo-os. “O sol e outras estrelas nos dizem do que são feitos”, Lodders me disse. “Você só precisa ler as mensagens escondidas na luz.”
Ato II: Homem encontra lítio e imediatamente tenta atear fogo
A história de como os humanos descobriram o lítio remonta ao final do século XVIII e a um cientista, estadista e poeta brasileiro chamado José Bonifácio de Andrada e Silva, que estava viajando pela Europa em uma espécie de programa de estudos no exterior. Enquanto visitava uma mina de ferro na ilha sueca de Utö, ele pegou algumas pedras curiosas na pilha de resíduos e determinou que eram novos minerais. Ele os chamou de petalita e espodumênio.
Não se ouviu mais nada sobre a curiosa descoberta de José Bonifácio até quase 20 anos depois, quando Johan August Arfwedson, um promissor funcionário do laboratório de Jöns Jacob Berzelius, um dos fundadores da química moderna e o homem que cunhou palavras como “polímero” e “catalisador”, começou a analisar outra amostra de petalita de Utö. Arfwedson usou os métodos da época para separar a sílica e o alumínio do mineral, que juntos representavam cerca de 97% de sua massa. Em seguida, ele misturou parte da rocha pulverizada com carbonato de bário e a aqueceu até obter um sal. Tentando determinar a base do sal, Arfwedson descartou o potássio, o magnésio e depois o sódio. Ele repetiu sua análise duas vezes antes de concluir que havia encontrado “um álcali fixo definitivo, cuja natureza não era conhecida anteriormente”.
Como o elemento foi descoberto em um mineral, Arfwedson e Berzelius o batizaram de “lithia”, em homenagem à palavra grega “lithos”, que significa pedra. Arfwedson identificou o lítio em dois outros minerais, a lepidolita e o espodumênio, que o continham em concentrações particularmente altas. Arfwedson tentou, em vão, isolar o lítio para criar uma amostra pura do elemento, mas o lítio é altamente reativo e forma prontamente compostos dos quais não é facilmente separado. Um homem esbelto e bem vestido, conhecido por sua precisão e ordem, Arfwedson acabou se afastando do inescrutável lítio e praticamente abandonou a química para cuidar de uma forja de ferro nos arredores de Estocolmo, onde morreu em 1841.
Finalmente, em 1855, dois químicos – Robert Bunsen e Augustus Matthiessen – conseguiram isolar o lítio em uma quantidade grande o suficiente para estudar suas propriedades. Eles fizeram isso passando uma corrente elétrica pelo cloreto de lítio fundido. Finalmente, a humanidade pôde ver o metal mais leve em sua forma pura.
O que Bunsen e Matthiessen observaram foi um metal alcalino branco-prateado, quase tão denso quanto a madeira de pinheiro. O lítio puro é macio o suficiente para que, se você tivesse um pedaço dele em sua cozinha, pudesse cortá-lo com uma faca. No entanto, você não gostaria de fazer isso. O lítio é tão reativo com o nitrogênio, o oxigênio e o hidrogênio do ar que ficaria preto diante dos seus olhos e poderia entrar em combustão. Se você o colocasse na água, ele efervesceria e poderia pegar fogo e explodir. Por esses motivos, o lítio nunca é encontrado em seu estado puro na natureza. Ele está sempre em um composto. Ele constitui 0,002% da crosta terrestre, o que o torna um pouco mais prevalente do que o chumbo.
Mesmo antes de o lítio ser isolado e compreendido, os químicos já recomendavam seus compostos para uso médico. Em 1843, um cirurgião britânico chamado Alexander Ure estava investigando curas para gota e cálculos urinários. Ure colocou uma grande pedra na bexiga em uma solução de carbonato de lítio que obteve do mineral lepidolita e observou a pedra encolher em cinco horas. Ele imaginou tratar pacientes com cálculos urinários injetando a solução diretamente na bexiga. O problema é que o lítio ainda era escasso. Ure teve que esperar até 1859 para conseguir carbonato de lítio suficiente para tentar tratar um homem de 56 anos com uma grande pedra na bexiga. Durante várias semanas, ele injetou carbonato de lítio na bexiga do homem, aproximadamente em dias alternados. A pedra não encolheu e o paciente acabou morrendo – não se sabe ao certo o motivo – mas Ure ainda afirmou que o experimento foi um sucesso porque parecia que a pedra, pelo menos, ficou mais frágil.
Enquanto isso, muitos médicos do século XIX aderiram à crença popular de que o excesso de ácido úrico, que constitui a maioria das pedras na bexiga, era responsável por doenças tão diversas quanto doenças cardíacas, asma e tuberculose. O médico britânico Sir Alfred Baring Garrod sugeriu o lítio como tratamento, devido à sua capacidade de dissolver o ácido úrico. No final do século, um médico na Dinamarca chegou a tentar tratar pacientes deprimidos com carbonato de lítio, achando que suas aflições também eram causadas pelo excesso de ácido úrico. No final do século, médicos de toda a Europa e dos Estados Unidos começaram a prescrever lítio, já amplamente disponível, para todos os tipos de doenças. A Australian Broadcasting Corporation recentemente chamou o lítio de “açafrão-da-terra do final do século XIX”.
Com o tempo, o lítio perdeu seu brilho como panaceia. Foi somente em meados do século seguinte que seu papel na psiquiatria seria solidificado por um médico improvável em outro hemisfério.
Ato III: Um milagre para a melancolia, se não fosse por vários porquinhos-da-índia
Já no século II, médicos como Soranus de Éfeso prescreviam banhos em fontes minerais alcalinas para curar a mania e a melancolia. Hoje sabemos que muitos desses banhos minerais contêm lítio, o que talvez tenha contribuído para seus efeitos terapêuticos.
O tratamento de “tomar as águas” também se estendeu aos Estados Unidos. Lithia Springs, na Geórgia, é o lar de fontes minerais que há muito tempo são um centro sagrado de cura para as tribos Cherokee. No final do século XIX, o Sweetwater Park Hotel de Lithia Springs era um destino para pessoas como Mark Twain, os Vanderbilts e os presidentes Cleveland, Taft, McKinley e Theodore Roosevelt. Buscando ampliar seu alcance, o proprietário do hotel começou a engarrafar a água da nascente e a enviá-la para todo o país, até mesmo para a Casa Branca.
Os benefícios terapêuticos dessa microdosagem de lítio são contestados, mas o valor médico do lítio foi comprovado de forma inequívoca quando um médico da zona rural da Austrália fez uma descoberta acidental que mudaria o mundo da psiquiatria.
John Cade nasceu em 1912 em um hospital rural perto de Melbourne. Seu pai serviu como médico do exército durante a Primeira Guerra Mundial e voltou de Gallipoli e da França com TEPT grave, o que o levou a assumir um cargo de médico no Departamento de Higiene Mental de Victoria. Como Walter A. Brown escreve em seu livro, Lithium: A Doctor, A Drug, And A Breakthrough, o jovem Cade e seus dois irmãos cresceram no terreno de um asilo para doentes mentais, interagindo com pacientes com doenças mentais graves.
Cade estudou medicina na Universidade de Melbourne e se especializou em pediatria e psiquiatria. Em 1936, foi nomeado médico oficial no mesmo hospital psiquiátrico onde havia crescido. Ele começou a realizar pesquisas sobre as dietas dos pacientes, os níveis de anticorpos e as diferenças entre homens e mulheres diagnosticados com o que hoje é chamado de esquizofrenia.
Em 1940, sua pesquisa foi interrompida. A Austrália havia declarado guerra à Alemanha e Cade se juntou à Força Imperial Australiana, navegando para a Malásia em 1941 para defender a colônia britânica da invasão japonesa. Nas batalhas que se seguiram, os japoneses superaram as tropas da Commonwealth e Cade estava entre os 50 mil soldados britânicos e australianos capturados como prisioneiros de guerra.
Cade passou os três anos e meio seguintes em um campo de prisioneiros lutando contra a desnutrição e a saúde precária. Ele estudou os efeitos da deficiência de vitaminas entre seus companheiros de prisão e até realizou autópsias em soldados com doenças mentais, observando que muitos deles tinham manifestações físicas de seus distúrbios no cérebro. Quando foi libertado, em 1945, Cade estava ansioso para voltar ao trabalho. “A velha caixa cerebral está fervilhando de ideias”, escreveu ele para sua esposa na viagem de volta para casa. Em 1946, ele assumiu o cargo de diretor do Bundoora Repatriation Mental Hospital, onde sua pesquisa começou a sério.
A primeira coisa que Cade quis estudar nos 200 pacientes do hospital foi a ideia de que as pessoas que sofrem de doença maníaco-depressiva estão produzindo uma quantidade anormal de alguma substância que ocorre naturalmente. O melhor lugar para procurar essa substância, segundo ele, era na urina dos pacientes. Assim, Cade começou a coletar amostras de seus pacientes, que ele armazenava em frascos na prateleira superior da geladeira de sua família. Para determinar se a urina era tóxica, ele injetou quantidades variáveis dela no abdômen de cobaias que criava atrás de sua casa. Ele descobriu que a urina de alguns pacientes maníacos mataria uma cobaia em quantidades muito menores do que a urina de pacientes não maníacos.
Cade acreditava que os componentes da urina que poderiam estar causando as doenças de seus pacientes eram a ureia e o ácido úrico. Ele conseguiu dissolver ambos usando compostos de lítio, que depois injetou nas cobaias. Ao fazer isso, ele notou que as cobaias ficavam tranquilas, tanto que ele podia rolar as criaturas inquietas de costas enquanto elas “simplesmente ficavam deitadas e olhavam placidamente para ele”.
Os cientistas que analisaram a pesquisa de Cade presumem que as cobaias estavam manifestando os primeiros sintomas de envenenamento por lítio. Cade não sabia. Assim, ele decidiu realizar testes terapêuticos com lítio em seus pacientes maníaco-depressivos. Para testar a segurança e determinar a dose correta, ele primeiro administrou o lítio em si mesmo. Sem sentir nenhum efeito negativo, ele iniciou o tratamento com lítio em seu primeiro paciente maníaco na primavera de 1948.
Em cinco dias, ficou claro que esse paciente, um homem de 51 anos que era o mais problemático de sua ala, estava melhorando. Ele estava mais arrumado, mais tranquilo, menos desinibido e menos distraído. Três meses depois, ele pôde deixar o hospital com instruções para tomar 300 mg de carbonato de lítio duas vezes ao dia. No ano seguinte, Cade tratou mais nove pacientes com citrato de lítio e carbonato de lítio. Ele publicou um artigo sobre seu estudo no The Medical Journal of Australia, alertando o mundo sobre um novo e promissor tratamento para uma condição intratável na forma surpreendente de um elemento simples e antigo.
“Ele realmente fez isso por conta própria, isolado, em um pequeno hospital do interior da Austrália”, disse-me Brown. “Ele não tinha nenhuma bolsa. Não tinha treinamento em pesquisa. Mas ele era curioso e um grande observador.”
Dois anos mais tarde, o paciente original de Cade, que havia entrado e saído do hospital psiquiátrico desde sua alta inicial, morreu de envenenamento por lítio devido às doses que Cade havia prescrito. Talvez devido a esse e a outros relatos de pacientes que morreram de toxicidade por lítio, Cade parou de prescrevê-lo. Quando se tornou superintendente de um hospital psiquiátrico em Melbourne, ele proibiu o uso de lítio no local. Mas outros médicos, incluindo Morgens Schou, na Dinamarca, pegaram a tocha e continuaram a pesquisa sobre o lítio, acabando por consolidar seu lugar entre os melhores e mais simples tratamentos em psiquiatria.
Décadas depois, sabemos que o lítio trata de forma exclusiva os sintomas da depressão maníaca, ou transtorno bipolar. Ele alivia a mania – períodos temporários de hiperatividade, euforia e delírios. Ao contrário de outros tratamentos, ele previne futuros episódios de mania e talvez também períodos depressivos. Por razões desconhecidas, ele também reduz drasticamente o risco de suicídio. Pessoas com transtorno bipolar cometem suicídio em taxas 10 a 30 vezes maiores do que o restante da população. Estudos clínicos controlados descobriram que os pacientes que tomam lítio têm 10 vezes menos probabilidade de tentar suicídio. Nenhum outro tratamento para o transtorno bipolar tem o mesmo efeito.
“A capacidade do lítio de aliviar totalmente os sintomas de uma doença devastadora faz dele um dos melhores tratamentos da medicina”, escreveu Brown em seu livro. “Não patenteável e barato, o lítio nunca foi comercializado e nenhuma empresa está motivada a promovê-lo. Mas as vantagens do lítio sobre seus concorrentes patenteados, lucrativos e bem divulgados estão se tornando mais evidentes.”
Nas duas primeiras décadas de seu uso no país, o lítio economizou US$ 145 bilhões para a economia dos EUA em custos de hospitalização, de acordo com um artigo de 1994 publicado na revista Science. Pesquisas realizadas no Texas, na Grécia, na Lituânia e em outros lugares descobriram que a presença natural de lítio na água potável está associada a taxas mais baixas de suicídio e crimes violentos, o que levou alguns cientistas a defender a adição de lítio aos suprimentos municipais de água, da mesma forma que o flúor às vezes é adicionado para fortalecer os dentes.
Mas, ainda hoje, não se sabe ao certo o que esse metal branco prateado está fazendo no cérebro das pessoas que o tomam. Esse mistério confere uma certa magia ao lítio. Embora alguns pacientes apresentem efeitos colaterais como ganho de peso, névoa cerebral, cabelos quebradiços, aumento da sede, memória fraca e letargia, e outros ainda parem de tomar lítio porque sentem falta da exuberância alegre de seus estados maníacos, muitas pessoas com transtorno bipolar não conseguem imaginar a vida sem ele. Como disse a escritora Jaime Lowe no título de seu poderoso ensaio pessoal na The New York Times Magazine, “I Don’t Believe in God, But I Believe in Lithium” (Não acredito em Deus, mas acredito no lítio).
Ato IV: Baterias que continuam funcionando e só às vezes explodem
Thomas Edison morreu em 1931 com uma lata de lítio em sua mesa. Um dos projetos finais da vida do grande inventor foi fazer experimentos com novos produtos químicos no que ele chamou de “baterias de armazenamento”. A bateria perfeita – uma que fosse barata, recarregável e cheia de energia – era uma tarefa difícil de ser cumprida.
As baterias remontam a 1800. Naquele ano, o cientista italiano Alessandro Volta empilhou placas de zinco e cobre, separadas por um pano embebido em salmoura, e descobriu que poderia gerar uma corrente elétrica constante entre elas. Foi a primeira “bateria” do mundo, e é daí que vem o termo “célula voltaica”.
As primeiras baterias recarregáveis foram inventadas décadas depois. Em 1859, o físico francês Gaston Planté desenvolveu uma bateria recarregável usando eletrodos de chumbo em ácido sulfúrico, uma fórmula básica que, com algumas melhorias, ainda é usada para dar partida em carros, barcos, cortadores de grama e outros motores.
Edison desprezou a ideia de usar chumbo. “Se a natureza tivesse a intenção de usar chumbo em baterias para alimentar veículos”, ele insistiu, ‘ela não o teria feito tão pesado’. Ele fez testes com baterias feitas de níquel e ferro em uma solução de hidróxido de potássio. Ele descobriu que a capacidade de sua bateria melhorou em 10% quando adicionou hidróxido de lítio à mistura de eletrólitos, um desenvolvimento encorajador para um novo e valioso mercado: veículos elétricos. Em 1897, o carro mais vendido nos EUA foi o Columbia Motor Carriage elétrico. Naquela época, os veículos elétricos estavam superando seus equivalentes movidos a gasolina e vapor. A cidade de Nova York chegou a ter um serviço de táxi elétrico de curta duração chamado Electrobat.
Em 1914, Henry Ford e Edison estavam sonhando com um veículo elétrico de baixo custo. Mas Edison teve dificuldades para criar uma bateria leve e com densidade de energia suficiente para alimentar um veículo em longas distâncias. Se ele tivesse conseguido, é possível imaginar um curso totalmente diferente para a história automotiva. No entanto, o motor de combustão interna acabou vencendo, dando início a mais de um século de transporte movido a combustível fóssil com consequências devastadoras para o planeta.
Nos anos que se seguiram, o lítio assumiu papéis de liderança em vários campos. Como pode suportar altas temperaturas e é resistente à água, a graxa contendo sais de lítio foi adotada para uso em motores de aeronaves; atualmente, ela domina quase três quartos das necessidades de lubrificação em todos os setores. É um material valioso na metalurgia, onde é ligado ao alumínio para fabricar fuselagens de aviões, bicicletas e trens de alta velocidade. Quando misturado com o magnésio, o lítio pode criar uma blindagem.
Como reduz a expansão térmica, o lítio é um ingrediente útil em cerâmicas à prova de forno e nas superfícies de vitrocerâmica em cooktops de indução. Ele é empregado como material de absorção em condicionadores de ar e sistemas de controle de umidade. O isótopo de lítio 6 é usado no núcleo de armas nucleares, pois sua reatividade aumenta a potência de uma explosão termonuclear. Ele também está presente em fogos de artifício, queimando em um vermelho brilhante.
Entretanto, após a crise do petróleo de 1973, os cientistas retomaram o trabalho de Edison, explorando o potencial energético do lítio. Naquela época, a Exxon começou a investir dinheiro no desenvolvimento de baterias como uma alternativa aos hidrocarbonetos. Entre os cientistas empregados nos laboratórios de pesquisa da empresa em Nova Jersey estava um americano nascido na Grã-Bretanha chamado M. Stanley Whittingham, que achava que a chave óbvia para a criação de baterias potentes e leves estava no metal mais leve da tabela periódica: o lítio.
Como Steve LeVine escreveu em The Powerhouse: Inside the Invention of a Battery to Save the World, Whittingham ainda era um pós-doutorando na Universidade de Stanford quando descobriu que podia mover átomos de lítio de um eletrodo para outro, em temperatura ambiente, sem danificar muito nenhum dos eletrodos. Esse foi o primeiro exemplo de uma bateria recarregável de íons de lítio. Em 1977, Whittingham utilizou essa tecnologia em uma bateria fina, do tamanho de uma moeda, que cabia em um relógio movido a energia solar. No entanto, quando ele e sua equipe tentaram aumentar o tamanho das baterias, esbarraram no problema da reatividade do lítio – suas baterias continuavam a se inflamar nos laboratórios em um processo chamado de “fuga térmica”, um fenômeno que ainda provoca incêndios perigosos, força aviões a pousar de emergência e exige que os funcionários dos correios perguntem se há baterias de lítio nos pacotes que estão sendo enviados.
Um cientista de Oxford chamado John Goodenough expandiu o trabalho de Whittingham. Em 1980, ele descobriu que quando ele emparelhava lítio com óxido de cobalto, a bateria resultante era mais segura e tinha uma voltagem muito maior, permitindo que ela alimentasse dispositivos maiores. Essa química ainda é usada na maioria das baterias de íons de lítio hoje, especialmente em eletrônicos. No final da década de 1980, uma empresa canadense chamada Moli Energy estava produzindo baterias de íons de lítio com metal de lítio puro como ânodo, o eletrodo carregado negativamente em uma bateria que libera elétrons para serem absorvidos pelo cátodo carregado positivamente. A bateria de Moli era poderosa — mas perigosa.
“Todo mundo sabe que o Santo Graal das baterias é o metal de lítio”, disse Venkat Srinivasan, um cientista de baterias do Laboratório Nacional de Argonne. “É o melhor que a natureza nos deu. O problema com o lítio é que ele reage com tudo.”
Quando uma das baterias de Moli pegou fogo em um celular japonês, Moli lembrou de todas elas. A empresa entrou em falência e os engenheiros da bateria de íons de lítio voltaram à prancheta, desta vez usando lítio no cátodo da bateria.
Alguns anos depois, o cientista japonês Akira Yoshino impulsionou a pesquisa para uma bateria segura, potente e pronta para o mercado de eletrônicos de consumo. Yoshino usou o cátodo de óxido de cobalto e lítio de Goodenough com um ânodo de coque de petróleo, que é feito de cristais de grafite, onde os íons de lítio poderiam se aninhar com segurança quando descarregados. Ele revestiu esses materiais em folhas finas como papel, separadas por uma camada de eletrólito goop. Essas folhas foram enroladas juntas dentro de um recipiente de metal para criar a primeira bateria de íons de lítio produzida em massa com sucesso. Era um terço menor e mais leve do que as baterias padrão — e ainda mais potente.
Os três pioneiros da bateria de íons de lítio — Whittingham, Goodenough e Yoshino — receberam o Prêmio Nobel de Química em 2019 por seu trabalho em “tornar possível uma sociedade livre de combustíveis fósseis”.
Pequenas e leves baterias de íons de lítio tornaram a tecnologia portátil possível, começando com as filmadoras da Sony em 1991. Depois vieram os telefones sem fio, laptops, celulares e tablets. As baterias de íons de lítio se tornaram baratas e confiáveis o suficiente para que tenhamos imaginado outros usos para elas. Agora as encontramos em ferramentas elétricas, aspiradores de pó, escovas de dente elétricas, fones de ouvido e batedeiras de cozinha. Um iPhone 15 tem cerca de 1 grama de lítio em sua bateria. Uma bateria média de veículo elétrico, por outro lado, contém 8 quilos (quase 18 libras) de lítio. Assim como as baterias de íons de lítio agora dominam o consumo global de lítio, os veículos elétricos dominam o mercado de baterias.
A química da bateria mudou ao longo do tempo. As baterias de fosfato de ferro-lítio são baratas, seguras e prontamente usadas em carros de menor alcance, especialmente na China. Em 2000, Mike Thackeray, um químico da África do Sul, patenteou uma bateria de lítio envolvendo óxido de níquel-cobalto-manganês. Essa fórmula impulsionou o Nissan Leaf e se tornou tão bem-sucedida que agora metade dos veículos elétricos vendidos no mundo a usam.
As inovações em termos de baterias não estão diminuindo o ritmo; as receitas de baterias de íons de lítio estão sempre sendo refinadas. Engenheiros estão procurando alternativas ao cobalto, por exemplo, que é caro e frequentemente extraído com trabalho infantil na República Democrática do Congo. O campo de baterias de íons de lítio está aberto a ajustes constantes. “A natureza simplesmente não lhe dá óxido de níquel, cobalto e manganês”, explicou Srinivasan. “Há toda essa arquitetura e manipulação muito cuidadosa que acontece no trabalho com baterias de lítio.”
A pesquisa continua no desenvolvimento de químicas de baterias de íons de lítio mais baratas, seguras e com maior densidade energética. No curto prazo, o silício se mostra promissor como um ânodo em uma bateria barata, potente e de carregamento rápido. No papel, as baterias de lítio-ar, uma química leve que usa lítio puro como ânodo e oxigênio como cátodo, oferecem densidades de energia próximas às da gasolina. Muitos pesquisadores estão tentando superar os obstáculos de segurança de voltar ao “Santo Graal” — metal de lítio puro nos ânodos de baterias de estado sólido. O metal de lítio tende a formar “dendritos” semelhantes a agulhas nas baterias, o que pode causar curto-circuito e criar riscos de incêndio. Isso pode ser evitável, mas se elas chegarem à produção em massa, terão que ser perfeitas, sempre.
Outras baterias sem lítio com materiais como ferro, sódio e zinco têm benefícios para aplicações específicas. Mas a estrutura química do lítio é única. Nenhum outro elemento é tão leve e tão disposto a compartilhar um elétron, que é o que cria energia. Novas tecnologias surgirão, mas o lítio nos encantou com seu potencial.
Srinivasan imagina um futuro próximo em que teremos diversos conjuntos de baterias em todos os lugares. As baterias poderiam coletar elétrons de lâmpadas em nossas mesas, por exemplo, de esteiras em nossas academias, de fontes de energia intermitentes como o sol, o vento e as marés. Poderiam surgir baterias que podem armazenar energia em escala de rede por dias, semanas, meses ou até mesmo estações. Os “pregadores” das baterias buscam baterias com vida útil de 30 ou 50 anos ou mais, baterias que podem encontrar maneiras de se reparar — baterias, em outras palavras, que seriam quase como organismos, com lítio como o sangue pulsando dentro delas.
Ato V: O futuro é elétrico, mas ainda muito complicado
Hoje, o lítio está em todo lugar. Está nos relógios em nossos pulsos, nos telefones em nossos bolsos, nos tablets em nossas bolsas. Está em nossos armários de remédios, em nossas caçarolas, até mesmo dentro de nossos corpos em dispositivos médicos como marcapassos e desfibriladores. Está nos brinquedos de nossas crianças, em nossos aparadores de cerca viva, em nossas lanternas. Está em nossas bicicletas, patinetes, carros e ônibus. Sem lítio, nossas vidas constantemente conectadas e móveis seriam impossíveis. Não é de se admirar que as pessoas estejam chamando o lítio de “ouro branco”.
Mas, assim como o ouro real e como o “ouro negro” da era dos combustíveis fósseis, a corrida está em andamento para encontrar novas fontes e maiores quantidades de uma substância da qual dependemos para tudo o que esperamos e tudo o que ainda está por vir. Qualquer um que imagine um futuro de aviões elétricos de passageiros, armazenamento em rede de longa duração e táxis aéreos está evocando um sonho fundado no lítio. De onde tudo isso virá e a que custo?
Antes de 1988, os EUA foram o principal produtor mundial de lítio por cerca de 30 anos, graças ao espodumênio extraído da mina Kings Mountain, na Carolina do Norte. O lítio americano circulou pelo mundo. Então o Chile começou a produzi-lo mais barato, bombeando salmoura de vastos mares subterrâneos e evaporando-a para coletar os sais de lítio. Hoje, o Chile e a Austrália produzem a maior parte do lítio do mundo. Menos de 1% do lítio global agora vem dos EUA, tudo de uma única operação de salmoura em Silver Peak, Nevada.
Isso está prestes a mudar. O Serviço Geológico dos EUA estima que os EUA tenham 14 milhões de toneladas métricas de depósitos de lítio espalhados pelo país. Vamos precisar dele — o governo Biden está tentando reduzir pela metade as emissões de carbono e está pressionando para que metade dos novos veículos sejam elétricos até 2030. Consequentemente, o preço do lítio está subindo. Só em 2022, o preço dele subiu 400%. Ela se estabilizou desde então, mas os pesquisadores estimam que a demanda por lítio aumentará cinco vezes até 2030.
Os EUA estão se esforçando para garantir uma cadeia de fornecimento independente de lítio, da mina ao refino e às fábricas de baterias, para não depender de concorrentes como a China. A próxima década pode ver uma explosão da produção de lítio neste país. Em março, no oeste dos EUA, havia 130 propostas de mineração de lítio aguardando aprovação, com 83 somente em Nevada.
A principal delas é uma nova mina pronta para começar a produção nos próximos anos em um depósito de argila em Thacker Pass, no norte de Nevada, a maior fonte conhecida de lítio nos EUA. A mina é de propriedade da Lithium Americas, sediada em Vancouver, e parcialmente financiada por um investimento de US$ 650 milhões da General Motors, além de um empréstimo recorde de US$ 2,26 bilhões do Departamento de Energia dos EUA.
Agora em construção, a mina não está isenta de controvérsias. Ela fica em terras consideradas sagradas para os membros da Tribo Paiute e Shoshone de Fort McDermitt. Em 1865, a 1ª Cavalaria de Nevada invadiu um acampamento Paiute lá e matou pelo menos 31 pessoas. Naquela época, os colonos brancos estavam se expandindo para o oeste em busca de ouro. Hoje, alguns membros tribais temem que sua soberania esteja sendo pisoteada em nome do ecocapitalismo irrestrito. A maioria dos recursos de lítio identificados nos EUA está a 35 milhas de uma reserva indígena americana.
Ambientalistas também estão alertando sobre outros perigos. Em 2022, o Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA listou como ameaçada de extinção uma flor rara chamada trigo-sarraceno de Tiehm, que cresce apenas no sudoeste de Nevada, no local de outra mina de lítio proposta em Rhyolite Ridge. O Bureau of Land Management dos EUA está conduzindo uma avaliação de impacto ambiental no projeto, mas espera-se que a mina prossiga. Enquanto isso, nas proximidades da mina Thacker Pass, o Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA está monitorando outra espécie que pode merecer proteção: o caracol pyrg do Rio Kings, uma espécie que só foi encontrada em 13 nascentes localizadas e é tão pequena quanto a ponta de uma caneta esferográfica.
O debate em torno da mineração de lítio divide as pessoas de maneiras inesperadas e nos força a examinar nossas prioridades. É mais importante garantir o fornecimento de um material que nos ajudará a nos livrar dos combustíveis fósseis? Ou é mais importante proteger a biodiversidade em uma era de extinção em massa? É genocídio cultural, como alguns dizem, colocar uma mina em terras sagradas para as tribos? Ou essas minas podem oferecer a essas comunidades empregos seguros e bem pagos, renda tributária e uma participação nos lucros de um elemento que precisa ser minerado em algum lugar?
Ao contrário dos combustíveis fósseis, as baterias de íons de lítio têm o potencial de serem recicladas. Por ser composta de elementos, quando uma bateria chega ao fim de sua vida útil, ela pode teoricamente ser desmontada e reaproveitada. Em todo o mundo, empresas estão surgindo para reciclar baterias, economizando dinheiro e diminuindo a urgência de novas mineradoras.
Inovações na extração também podem mitigar o uso intensivo de água na produção de lítio. Uma startup chamada Lilac Solutions é pioneira em um tipo de esfera de cerâmica que absorve lítio da salmoura sem a necessidade convencional de um vasto lago de evaporação. A empresa diz que seu processo usa muito menos água do que a extração convencional de lítio. A salmoura é simplesmente bombeada de sua fonte, misturada com as esferas e então devolvida. A Lilac espera em breve começar a extrair lítio do Grande Lago Salgado de Utah.
Poderia haver efeitos imprevistos a jusante de nosso apetite voraz por lítio? Alguns cientistas se preocupam que quanto mais extraímos lítio de minerais e salmouras subterrâneas, mais ele se dispersa em nossa água potável e de irrigação. Mais lítio na água potável pode levar a menos suicídios e menos crimes violentos, mas em um certo nível, um medicamento se torna um veneno. Globalmente, ainda não há recomendações sobre uma quantidade segura dele na água potável; um estudo com quase 200 mulheres grávidas na Argentina descobriu que beber água com níveis elevados de lítio pode prejudicar a função da tireoide e está associado a recém-nascidos menores. Ainda menos se sabe sobre o impacto do lítio na agricultura, embora um artigo publicado este ano tenha observado que o lítio pode inibir o crescimento das plantas e diminuir os nutrientes do solo.
Também há preocupações tecnológicas em torno do lítio. Assim como nossa adoção em larga escala do motor de combustão interna facilitou nosso vício em combustíveis fósseis, o acúmulo de tecnologias de baterias de lítio pode inibir o crescimento de produtos químicos concorrentes. As baterias de íons de lítio têm uma vantagem significativa em pesquisa, financiamento e fabricação em lugares como a Gigafactory da Tesla em Nevada. Alguns argumentam que o governo deveria subsidiar outras tecnologias de baterias — células de combustível de hidrogênio, por exemplo — para que a concorrência permaneça forte e não nos coloquemos em uma situação difícil com o lítio.
Só conhecemos o lítio há pouco mais de 200 anos e, no entanto, ele teve um impacto profundo na história humana. À medida que esse metal simples, leve e reativo alimenta cada vez mais nossas vidas, corremos o risco de destruir o próprio planeta que estamos tentando proteger?
Muito antes dos celulares, da ansiedade climática e do Tesla Model Y, muito antes dos dinossauros e das primeiras criaturas que saíram do oceano para andar na terra, muito antes da Terra se formar a partir de massas giratórias de matéria cósmica pesada o suficiente para se fundir, de volta, muito de volta, ao universo infantil, ao alvorecer da própria matéria, havia apenas três tipos de átomos — três elementos na tela em branco do espaço. Um deles era o lítio. Era leve, frágil e extremamente reativo, seu único elétron externo tenuemente mantido no lugar.
Tudo o que fizemos com o lítio, todas as suas aplicações maravilhosas em energia, indústria e psiquiatria, de alguma forma depende dessa estrutura básica, uma espécie de mágica em torno da qual estamos cada vez mais projetando nosso futuro. A leveza geralmente é associada à abundância na tabela periódica — quase 99% da massa do universo são apenas os dois elementos mais leves. O lítio, no entanto, é o terceiro elemento mais leve e ainda misteriosamente escasso. “É peculiar”, Fields, o astrônomo, me disse. “É especial. Há muito pouco disso, mas tem um papel fundamental no universo.”
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