Científicos que estudian la energía de fusión en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California anunciaron el martes que habían superado un hito largamente esperado al reproducir la energía del sol en un laboratorio.
Eso despertó el entusiasmo del público porque los científicos llevan décadas hablando de cómo la fusión, la reacción nuclear que hace brillar a las estrellas, podría proporcionar una fuente de energía abundante en el futuro.
El resultado anunciado el martes es la primera reacción de fusión en un laboratorio que produce más energía de la necesaria para iniciarla.
“Este es un ejemplo maravilloso de una posibilidad realizada, el logro de un hito científico y un camino por recorrer hacia las posibilidades de la energía limpia”, dijo Arati Prabhakar, asesora científica de la Casa Blanca, durante una rueda de prensa el martes por la mañana en la sede del Departamento de Energía en Washington D. C. “Y se trata de una comprensión aún más profunda de los principios científicos que se aplican aquí”.
Si la fusión puede implantarse a gran escala, ofrecería una fuente de energía desprovista de la contaminación y los gases de efecto invernadero causados por la quema de combustibles fósiles y de los peligrosos residuos radiactivos de larga vida creados por las centrales nucleares actuales, que utilizan la división del uranio para producir energía.
En el Sol y las estrellas, la fusión combina continuamente átomos de hidrógeno en helio, lo que produce luz solar y calor que baña los planetas. En los reactores experimentales y laboratorios láser de la Tierra, la fusión hace honor a su reputación de fuente de energía muy limpia.
Sin embargo, siempre ha habido un problema. En todos los esfuerzos de los científicos por controlar la fuerza desbocada de la fusión, sus experimentos consumían más energía de la que generaban las reacciones de fusión.
Eso cambió a la 1:03 de la madrugada del 5 de diciembre, cuando 192 láseres gigantes de la Instalación Nacional de Ignición del laboratorio hicieron estallar un pequeño cilindro del tamaño del borrador de un lápiz que contenía un nódulo congelado de hidrógeno encerrado en diamante.
Los rayos láser entraron por la parte superior e inferior del cilindro, vaporizándolo. Esto generó una descarga de rayos X hacia el interior que comprimió una pastilla de combustible del tamaño de una bala de deuterio y tritio, las formas más pesadas del hidrógeno.
En un breve instante que duró menos de 100 trillonésimas de segundo, 2,05 megajulios de energía —aproximadamente el equivalente a medio kilo de trinitrotolueno— bombardearon la pastilla de hidrógeno. Salió un torrente de partículas de neutrones —el producto de la fusión— que transportaban unos 3 megajulios de energía, un factor de 1,5 en ganancia energética.
Esto cruzó el umbral que los científicos de la fusión láser denominan ignición, la línea divisoria en la que la energía generada por la fusión es igual a la energía de los láseres entrantes que inician la reacción.
“Ves un diagnóstico y piensas que tal vez no sea real, pero luego empiezas a ver más y más diagnósticos que apuntan a lo mismo”, dijo Annie Kritcher, física de Livermore que describió la revisión de los datos después del experimento. “Es una sensación maravillosa”.
El exitoso experimento cumple el objetivo de ignición que se prometió cuando se inició la construcción de la Instalación Nacional de Ignición en 1997. Sin embargo, cuando comenzó a funcionar en 2009, la instalación apenas generó fusión, una vergonzosa decepción tras una inversión de 3500 millones de dólares del gobierno federal.
En 2014, los científicos de Livermore finalmente reportaron un éxito, pero la energía producida era minúscula: el equivalente a lo que consume una bombilla de 60 vatios en cinco minutos. Los avances en los años siguientes fueron escasos y pequeños.
Luego, en agosto del año pasado, la instalación produjo un estallido de energía mucho mayor: un 70 por ciento más que la energía de la luz láser.
En una entrevista, Mark Herrmann, director del programa de física y diseño de armas en Livermore, dijo que los investigadores realizaron una serie de experimentos para comprender mejor el sorprendente éxito de agosto, y trabajaron para aumentar la energía de los láseres en casi un 10 por ciento y mejorar el diseño de los blancos de hidrógeno.
El primer disparo láser a 2,05 megajulios se realizó en septiembre, y ese primer intento produjo 1,2 megajulios de energía de fusión. Además, los análisis mostraron que la pastilla esférica de hidrógeno no se comprimía de manera uniforme y que parte del hidrógeno salía por los lados y no alcanzaba la temperatura de fusión.
Los científicos hicieron algunos ajustes que creían que funcionarían mejor.
“La predicción antes del disparo era que podría aumentar en un factor de dos”, dijo Herrmann. “De hecho, subió un poco más que eso”.
El objetivo principal de la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por su sigla en inglés) es realizar experimentos para ayudar a Estados Unidos a mantener sus armas nucleares. Eso hace que las implicaciones inmediatas para la producción de energía sean provisionales.
La fusión sería esencialmente una fuente de energía libre de emisiones, y ayudaría a reducir la necesidad de centrales eléctricas que queman carbón y gas natural, que bombean cada año a la atmósfera miles de millones de toneladas de dióxido de carbono que calientan el planeta.
Pero pasará mucho tiempo antes de que la fusión esté disponible a escala práctica y generalizada, si es que llega a estarlo.
“Probablemente décadas”, dijo Kimberly S. Budil, directora de Lawrence Livermore, durante la conferencia de prensa del martes. “No creo que seis décadas. Es posible que no sean cinco décadas, que es lo que solíamos decir. Creo que está pasando a primer plano y probablemente, con un esfuerzo y una inversión concertadas, unas décadas de investigación sobre las tecnologías subyacentes podrían ponernos en condiciones de construir una central”.
La mayoría de los climatólogos y responsables políticos afirman que para alcanzar ese objetivo de limitar el calentamiento a 2 grados centígrados, o el objetivo aún más ambicioso de 1,5 grados centígrados de calentamiento, el mundo debe alcanzar las emisiones netas cero en 2050.
Hasta la fecha, la fusión se ha llevado a cabo principalmente en reactores con forma de dona, conocidos como tokamaks. En estos reactores, el hidrógeno gaseoso se calienta lo suficiente como para que los electrones se desprendan de los núcleos de hidrógeno, creando lo que se conoce como plasma: nubes de núcleos cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Los campos magnéticos atrapan el plasma en forma de rosquilla y los núcleos se fusionan, liberando energía en forma de neutrones que vuelan hacia el exterior.
El trabajo en la NIF adopta un enfoque diferente, pero hasta ahora se ha trabajado poco para hacer realidad la idea de una central de fusión por láser. “Hay obstáculos muy importantes, no solo en la ciencia, sino también en la tecnología”, dijo Budil.
NIF es el láser más potente del mundo, pero es lento e ineficaz porque se basa en una tecnología de hace décadas.
El aparato, del tamaño de un estadio deportivo, está diseñado para realizar experimentos de ciencia básica, no para servir de prototipo para la generación de electricidad.
Realiza una media de 10 disparos a la semana. Una instalación comercial que utilizara el método de fusión por láser necesitaría láseres mucho más rápidos, capaces de disparar a ritmo de ametralladora, quizá 10 veces por segundo.
Además, la NIF consume mucha más energía de la que producen las reacciones de fusión.
Aunque el último experimento produjo una ganancia neta de energía en comparación con la energía de los 2,05 megajulios de los rayos láser entrantes, la NIF necesitó extraer 300 megajulios de energía de la red eléctrica para generar el breve pulso láser.
Otros tipos de láser son más eficientes, pero los expertos afirman que una central de fusión láser viable probablemente requeriría ganancias de energía mucho mayores que las de 1,5 observadas en este último disparo de fusión.
“Se necesitarían ganancias de 30 a 100 para obtener más energía para una central energética”, dijo Herrmann.
Dijo que Livermore continuará impulsando los experimentos de fusión de la NIF hacia una mayor producción de fusión.
“Eso es lo que vamos a buscar honestamente en los próximos años”, dijo Herrmann. “Estos experimentos demuestran que incluso un poco más de energía láser puede significar una gran diferencia”.
Investigadores de otros lugares están estudiando variaciones del experimento NIF. Otros tipos de láser con diferentes longitudes de onda podrían calentar el hidrógeno de forma más eficiente.
Algunos investigadores están a favor de un enfoque de “accionamiento directo” de la fusión por láser, al emplear la luz láser para calentar directamente el hidrógeno. Así se obtendría más energía para el hidrógeno, pero también podrían crearse inestabilidades que frustraran las reacciones de fusión.
En marzo, la Casa Blanca celebró un encuentro para tratar de acelerar los esfuerzos de fusión comercial.
“Desarrollar un enfoque económicamente atractivo de la energía de fusión es un gran reto científico y de ingeniería”, afirma Tammy Ma, que dirige una iniciativa en Livermore para estudiar las posibilidades. “Sin duda, será una empresa monumental”.
Ma dijo que pronto se publicará un informe encargado por el departamento de energía para proporcionar un marco para la investigación de la energía de fusión láser.
“Un programa así”, dijo, “requerirá inevitablemente la participación de toda la comunidad”, incluyendo el mundo académico, las empresas de nueva creación y los servicios públicos, además de los laboratorios nacionales como Livermore.
Los resultados anunciados el martes beneficiarán a los científicos que trabajan en el arsenal nuclear, el objetivo principal de la NIF. Al realizar estas reacciones nucleares en un laboratorio a una escala menos destructiva, los científicos pretenden sustituir los datos que solían recopilar de las detonaciones subterráneas de bombas nucleares, que Estados Unidos dejó de realizar en 1992.
La mayor producción de fusión de la instalación producirá más datos “que nos permitirán mantener la confianza en nuestra disuasión nuclear sin necesidad de más pruebas subterráneas”, dijo Herrmann. “La producción, esos 30.000 billones de vatios de potencia, crea en sí misma entornos muy extremos” que se asemejan más a la explosión de un arma nuclear.
Riccardo Betti, científico jefe del Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester, que no participó en este experimento de Livermore, dijo: “Este es el objetivo, demostrar que se puede encender un combustible termonuclear en el laboratorio por primera vez”.
“Y esto se hizo”, añadió. “Así que es un gran resultado”.
Henry Fountain y Zach Montague colaboraron con este reportaje.
Kenneth Chang ha estado en el Times desde el año 2000, escribiendo sobre física, geología, química y los planetas. Antes de convertirse en escritor de divulgación científica, era un estudiante graduado cuya investigación involucraba el control del caos. @kchangnyt