Láser gigante de ‘Star Trek’ se probará en avance de fusión

El avance se produjo en un tiempo increíblemente pequeño, menos de lo que tarda un rayo de luz en moverse una pulgada. En ese pequeño momento, la fusión nuclear como fuente de energía pasó de un sueño lejano a una realidad. El mundo ahora está lidiando con las implicaciones de este hito histórico. Para Arthur Pak y los innumerables otros científicos que han pasado décadas para llegar a este punto, el trabajo apenas comienza.

Pak y sus colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ahora se enfrentan a una tarea abrumadora: hacerlo de nuevo, pero mejor y más grande.

Eso significa perfeccionar el uso del láser más grande del mundo, alojado en la Instalación Nacional de Ignición del laboratorio que los fanáticos de la ciencia ficción reconocerán de la película «Star Trek: Into Darkness», cuando se usó como escenario para el núcleo warp de la nave estelar. Empresa. Justo después de la 1 am del 5 de diciembre, el láser disparó 192 rayos en tres pulsos cuidadosamente modulados a un cilindro que contenía una pequeña cápsula de diamante llena de hidrógeno, en un intento de provocar la primera reacción de fusión que produjo más energía de la que se necesitó para crear. Tuvo éxito, iniciando el camino hacia lo que los científicos esperan que algún día sea una nueva fuente de energía libre de carbono que permitirá a los humanos aprovechar la misma fuente de energía que ilumina las estrellas.

Pak, quien se unió al laboratorio de Lawrence Livermore en las afueras de San Francisco en 2010, se despertó a las 3 am de ese día, incapaz de resistirse a revisar los resultados iniciales desde su casa en San José. Trató de mantenerse despierto para la toma en sí, y finalmente se dio por vencido cuando los minuciosos preparativos del experimento se prolongaron hasta altas horas de la noche. «Si te mantuvieras despierto para cada tiro, cada vez durante 10 años, te volverías loco», dijo.

Durante los últimos meses, estaba claro que su equipo se estaba acercando, y en la oscuridad previa al amanecer, buscó un número clave que pudiera mostrar si habían tenido éxito: un recuento de neutrones producidos por la explosión.

«Cuando vi ese número, me quedé impresionado», dijo.

«Puedes trabajar toda tu carrera y nunca ver este momento. Lo estás haciendo porque crees en el destino y te gusta el desafío», dijo Pak, líder de diagnóstico en el experimento. «Cuando los seres humanos se unen y trabajan colectivamente, podemos hacer cosas asombrosas».

El equipo de Lawrence Livermore, un laboratorio de investigación financiado por el gobierno, probablemente realizará su próxima prueba en febrero, con varios experimentos más por venir en los meses posteriores. El objetivo será seguir aumentando la cantidad de energía que se produce en la reacción. Los medios más retoques: use más energía láser. Afina la explosión del láser. Genere más rayos X dentro del objetivo, un paso clave del proceso, usando la misma cantidad de energía. Tal vez, eventualmente, actualizar la instalación en sí, una decisión que requeriría la aceptación del Departamento de Energía y una gran cantidad de fondos.

Todo eso tomará años, si no décadas, comenzando con los pequeños experimentos del laboratorio de Lawrence Livermore que duran solo nanosegundos.

«Necesitamos averiguar: ¿Podemos hacerlo más simple? ¿Podemos hacer que este proceso sea más fácil y más repetible? ¿Podemos comenzar a hacerlo más de una vez al día?» dijo Kim Budil, director del laboratorio Lawrence Livermore. «Cada uno de estos es un increíble desafío científico y de ingeniería para nosotros».

La mayoría de los expertos pronostican que todavía faltan por lo menos 20 a 30 años para que la tecnología de fusión sea viable en una escala lo suficientemente grande y asequible como para producir energía comercial. Esa línea de tiempo coloca la fusión más allá del alcance de un uso significativo para alcanzar los objetivos mundiales de emisiones netas cero para 2050. En ese sentido, la fusión podría ser la fuente de energía libre de carbono del futuro, pero no de la actual transición energética global que se enfrenta. obstáculos continuos.

Fusion ha capturado la imaginación científica durante décadas. Ya se usa para dar a las armas nucleares modernas su poder devastador, pero el sueño es domesticarlo para la demanda de energía civil. Si se puede llevar a escala, daría lugar a centrales eléctricas que suministren abundante electricidad día y noche sin emitir gases de efecto invernadero. Y a diferencia de la energía nuclear de hoy, provocada a través de un proceso llamado fisión, no crearía desechos radiactivos de larga duración. Generaciones enteras de científicos lo han perseguido. La principal asesora científica del presidente Joe Biden, Arati Prabhakar, pasó un verano trabajando en el programa de fusión por láser del laboratorio cuando era una estudiante universitaria de 19 años con pantalones acampanados, en 1978.

«Este es un tremendo ejemplo de lo que la perseverancia puede lograr», dijo en una conferencia de prensa la semana pasada. «Así es como haces cosas realmente grandes y difíciles».

fusionando átomos

El exitoso disparo láser produjo reacciones de fusión que generaron 3,15 megajulios de potencia, superando los 2,05 megajulios impartidos por el láser. Era un umbral importante, la primera vez que salía más energía de la que entraba del láser. Pero la ecuación debe inclinarse mucho más en la dirección de cuánto sale para que sea comercialmente viable.

Mientras que las plantas de energía nuclear de hoy en día emplean la fisión, separando los átomos, la fusión fusiona los átomos. Los investigadores de Fusion han seguido dos pistas principales. Lawrence Livermore, utilizando un proceso llamado confinamiento inercial, dispara a los objetivos con rayos láser, implosionando una pequeña cantidad de hidrógeno hasta que se fusiona en helio. Una planta comercial que use este enfoque necesitaría repetir el proceso una y otra vez, extremadamente rápido, para generar suficiente energía para alimentar la red eléctrica.

Numerosas empresas están desarrollando sistemas de confinamiento inercial, aunque existen diferencias significativas. Algunos están buscando diferentes materiales para el objetivo, mientras que otros usan aceleradores de partículas en lugar de láseres, lo que desencadena la reacción de fusión al chocar los átomos.

La principal idea en competencia se llama confinamiento magnético, con sistemas que crean una nube de plasma, sobrecalentado a cientos de millones de grados, que puede desencadenar una reacción de fusión. Potentes imanes controlan el plasma y sostienen la reacción. Este enfoque aún no ha logrado una ganancia de energía neta y enfrenta desafíos que incluyen el desarrollo de mejores imanes y la creación de materiales que puedan soportar temperaturas supercalientes y usarse para el contenedor que contiene el plasma.

Según el grupo comercial Fusion Industry Association, se han destinado alrededor de $ 5 mil millones en fondos a empresas de fusión hasta la fecha, y la gran mayoría se ha destinado a tecnologías de confinamiento magnético.

El confinamiento inercial puede ser más adecuado para demostrar que la fusión puede funcionar, dijo Adam Stein, director de innovación de energía nuclear en The Breakthrough Institute, un grupo de investigación con sede en Oakland, California. Pero a largo plazo, cuando se trata de la comercialización, «es más probable que el confinamiento magnético de plasma tenga éxito», dijo.

‘Sé optimista’

Pasaron años refinando cada parte del proceso en el laboratorio de Lawrence Livermore.

Gran parte del éxito se debió a la precisión. Todas las cápsulas de combustible contienen imperfecciones diminutas que pueden marcar una diferencia significativa en cómo procede la reacción. También puede hacerlo el hidrógeno congelado en el interior, una mezcla de los isótopos deuterio y tritio. El equipo a menudo producía el hielo de hidrógeno, lo volvía a derretir y lo intentaba varias veces antes de disparar, con la esperanza de obtener el mejor objetivo posible y aumentar las posibilidades de éxito.

Todos los que trabajan en fusión «tienen que ser optimistas», dijo Denise Hinkel, una física que se enfoca en mejorar la capacidad predictiva de las simulaciones por computadora del programa y que ha trabajado en Lawerence Livermore durante 30 años. «De lo contrario, no te quedarías en el campo».

Para este verano, el láser gigante podrá entregar aproximadamente un 8% más de energía que durante el disparo de este mes, según Jean-Michel Di Nicola, ingeniero jefe del láser de la Instalación Nacional de Ignición. Michael Stadermann, el gerente del programa de fabricación de objetivos, dijo que el laboratorio también está desarrollando un programa de computadora que puede examinar las cubiertas de las cápsulas de combustible en busca de fallas mucho más rápido que los humanos. También están trabajando con el fabricante de cápsulas para mejorar el proceso de fabricación.

Es posible que el avance de Lawrence Livermore siga siendo solo un momento de la historia científica y no marque el comienzo de una nueva industria de fusión que impulse al mundo. Cerrar la brecha entre el experimento y la comercialización podría llevar décadas, si es que sucede. Y el confinamiento magnético podría eventualmente ser el método de fusión que gane, proporcionando al mundo abundante energía limpia. Pak, un hombre de voz suave con un mechón de cabello castaño y un ingenio rápido, dijo que el resultado no lo decepcionaría.

«Pueden aprender de nosotros, podemos aprender de ellos», dijo Pak, de 40 años. «Cuando sea un anciano, estaré muy satisfecho con mis contribuciones».

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