El experimento de fusión láser desata una enérgica explosión de optimismo

Los científicos se han acercado tentadoramente a reproducir el poder del sol, aunque solo en una partícula de hidrógeno durante una fracción de segundo.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informaron el martes que al usar 192 láseres gigantes para aniquilar una pastilla de hidrógeno, pudieron encender una ráfaga de más de 10 billones de vatios de potencia de fusión, energía liberada cuando los átomos de hidrógeno se fusionan en helio, la mismo proceso que ocurre dentro de las estrellas.

De hecho, Mark Herrmann, subdirector del programa de Livermore para la física de armas fundamentales, comparó la reacción de fusión con los 170 cuatrillones de vatios de luz solar que bañan la superficie de la Tierra.

“Esto es alrededor del 10 por ciento de eso”, dijo el Dr. Herrmann. Y toda la energía de fusión emanó de un punto caliente del ancho de un cabello humano, dijo.

Pero la explosión, esencialmente una bomba de hidrógeno en miniatura, duró solo 100 billonésimas de segundo.

Aún así, eso estimuló un estallido de optimismo para los científicos de la fusión que han esperado durante mucho tiempo que la fusión podría algún día proporcionar una fuente de energía limpia e ilimitada para la humanidad.

“Estoy muy emocionado con esto”, dijo Siegfried Glenzer, un científico del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en Menlo Park, California, y quien había dirigido los experimentos de fusión iniciales en las instalaciones de Livermore hace años, pero actualmente no está involucrado en el investigar. “Esto es muy prometedor para nosotros, lograr una fuente de energía en el planeta que no emita CO2”.

El éxito también significó un momento de redención para el aparato láser del tamaño de un estadio de fútbol de Livermore, que se denomina Instalación Nacional de Ignición, o NIF. casi ninguna fusión en absoluto. En 2014, los científicos de Livermore finalmente informaron del éxito, pero la energía producida entonces era minúscula, el equivalente a lo que consume una bombilla de 60 vatios en cinco minutos.

El 8 de agosto, la explosión de energía fue mucho mayor: un 70 por ciento de la energía de la luz láser que golpeó el objetivo de hidrógeno. Esa sigue siendo una propuesta perdedora como fuente de energía, ya que consume más energía de la que produce. Pero los científicos confían en que fueron posibles más saltos en la producción de energía con el ajuste fino del experimento.

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El Dr. Herrmann dijo que normalmente, los científicos de Livermore no hablarían hasta después de que se publicara un artículo científico que describiera los hallazgos. Pero estos hallazgos “se han estado extendiendo como la pólvora”, dijo, “por lo que pensamos que sería mejor publicar algunos hechos ahora”.

Stephen Bodner, un físico de plasma jubilado que ha sido durante mucho tiempo un crítico de NIF, ofreció sus felicitaciones. “Estoy sorprendido”, dijo. “Se han acercado lo suficiente a su objetivo de encendido y punto de equilibrio como para llamarlo un éxito”.

De manera más prometedora, las reacciones de fusión por primera vez parecieron ser autosostenibles, lo que significa que el torrente de partículas que fluye hacia afuera desde el punto caliente en el centro del gránulo calentó los átomos de hidrógeno circundantes y también hizo que se fusionaran.

Riccardo Betti, científico jefe del Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester, dio una analogía de cómo funciona un motor de automóvil. “Entregas energía en una fracción muy pequeña del combustible a través de una chispa en la bujía, y luego esa energía se amplifica por la combustión del combustible”, dijo. “Entonces, sucedió lo mismo en el experimento de Livermore”.

El Dr. Herrmann fue más prudente y señaló que los resultados no alcanzaron la definición establecida por un informe de la Academia Nacional de Ciencias en 1997, de que la energía de fusión producida necesitaba exceder la cantidad de energía entregada por los láseres al hidrógeno. “Estamos en el umbral”, dijo.

Los científicos de Livermore dijeron que necesitaban analizar sus resultados con más cuidado antes de hacer afirmaciones más detalladas.

El Dr. Glenzer, sin embargo, dijo que estaba seguro de que la fusión se había propagado. Las reacciones de fusión produjeron un torrente de partículas subatómicas conocidas como neutrones, más de las que los instrumentos podían contar.

“Los datos son bastante obvios”, dijo el Dr. Glenzer.

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Los resultados mejorados de la fusión también ayudan a la Instalación Nacional de Ignición a cumplir con su uso principal: verificar que las armas nucleares funcionen. Después de que Estados Unidos suspendiera las pruebas nucleares subterráneas en 1992, los funcionarios del laboratorio argumentaron que se necesitaba alguna forma de verificar los modelos de computadora que reemplazaron las pruebas.

El Dr. Herrmann dijo que dentro de las 24 horas posteriores al último experimento, alguien que trabajaba en el programa de modernización de armas nucleares se comunicó con el equipo del NIF. “Están interesados ​​en aplicar esto a preguntas importantes que tienen”, dijo.

El centro de la Instalación Nacional de Ignición es la cámara de destino, una esfera de metal de 33 pies de ancho con un reluciente equipo de diagnóstico que irradia hacia afuera.

El complejo láser llena un edificio con una huella equivalente a tres campos de fútbol. Cada explosión comienza con un pequeño pulso láser que se divide a través de espejos parcialmente reflectantes en 192 haces, luego rebota hacia adelante y hacia atrás a través de amplificadores láser antes de converger en un cilindro de oro que tiene aproximadamente el tamaño y la forma de un borrador de lápiz.

Los rayos láser entran por la parte superior e inferior del cilindro, vaporizándolo. Eso genera una avalancha de rayos X hacia adentro que comprime una pastilla de combustible del tamaño de una BB de deuterio y tritio cuidadosamente congelados, las formas más pesadas de hidrógeno. En un breve momento, los átomos en implosión se fusionan.

Desde los prometedores resultados iniciales de 2014, los científicos del NIF han manipulado la configuración del experimento. Las cápsulas que contienen hidrógeno ahora están hechas de diamante en lugar de plástico, no porque el diamante sea más fuerte sino porque absorbe los rayos X con mayor facilidad. Los científicos ajustaron el diseño del cilindro de oro y el pulso láser para minimizar las inestabilidades.

Los científicos ahora también tienen mejores herramientas de diagnóstico.

Después de años de solo mejoras modestas, las combinaciones de modificaciones comenzaron a dar sus frutos, y los cálculos indicaron que la inyección del 8 de agosto podría triplicar lo que NIF había producido en la primavera. En cambio, la ganancia fue un factor de ocho, mucho más de lo que se había predicho.

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“Creo que todos se sorprendieron”, dijo el Dr. Herrmann. Parte del análisis actual consiste en averiguar qué cambios han funcionado tan bien.

El NIF en sí mismo no puede servir como modelo para una futura planta de energía. Sus láseres son ineficaces y solo puede disparar una vez al día. Una planta de energía de fusión láser necesitaría vaporizar gránulos de hidrógeno a una velocidad de varios por segundo.

El Dr. Glenzer dijo que SLAC estaba trabajando en un sistema láser que funcionaría a niveles más bajos de potencia pero dispararía mucho más rápidamente. Dijo que esperaba que la fusión, eclipsada en los últimos años por la energía solar y otras tecnologías energéticas, volviera a ganar protagonismo en los esfuerzos por reemplazar los combustibles fósiles.

El financiamiento federal para la investigación de la fusión es bajo, incluso cuando la administración Biden ha puesto énfasis en la reducción del cambio climático.

“A veces sucede, en el peor año de su financiación, se obtienen los mejores resultados”, dijo el Dr. Glenzer.

Aunque el Dr. Bodner prefiere un enfoque alternativo al del experimento actual, dijo que el resultado del NIF apuntaba a un camino a seguir.

“Demuestra al escéptico que no hay nada fundamentalmente malo en el concepto de fusión láser”, dijo. “Es hora de que Estados Unidos avance con un importante programa de energía de fusión láser”.

Los láseres no son el único enfoque destinado a aprovechar la fusión para futuras centrales eléctricas.

Los científicos también han utilizado reactores en forma de rosquilla llamados tokamaks que utilizan campos magnéticos para contener y comprimir el combustible de hidrógeno. A finales de la década de 1990, el experimento Joint European Torus en Inglaterra fue capaz de generar 16 millones de vatios de energía de fusión por un breve momento, alcanzando aproximadamente el 70 por ciento del camino para producir tanta energía como consumía. Un proyecto internacional llamado ITER está construyendo ahora un reactor tokamak más grande en Francia, cuya puesta en marcha está prevista para 2025.