La Instalación Nacional de Ignición (NIF, por su sigla en inglés), en Livermore, California -que usa un potente láser para calentar y comprimir combustible de hidrógeno- está a un paso de alcanzar una gigantesca fusión nuclear.

Según un experimento llevado a cabo este mes, el laboratorio logrará pronto el objetivo de la “ignición”, donde la energía liberada por la fusión excederá a la liberada por el láser.

Aprovechar la fusión nuclear, el proceso que da energía al Sol, podría proporcionarnos una fuente de energía limpia e ilimitada.

¿En qué consiste la fusión?

En un proceso llamado fusión nuclear por confinamiento inercial, 192 rayos láser de la instalación NIF -la mayor concentración de energía del mundo- se dirigen hacia una cápsula del tamaño de un grano de pimienta.

Esa cápsula contiene deuterio y tritio, que son diferentes formas de hidrógeno, isótopos naturales.

Este procedimiento comprime el combustible a 100 veces la densidad del plomo y lo calienta a 100 millones de grados Celsius, más caliente que el centro del Sol. Son condiciones que ayudan a impulsar la fusión termonuclear.

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“Un avance enorme”

Un experimento que se llevó a cabo el 8 de agosto produjo 1,35 megajulios (MJ) de energía, alrededor del 70% de la energía láser entregada a la cápsula de combustible.

Alcanzar la ignición significará obtener un rendimiento de fusión mayor que los 1,9 MJ introducidos por el láser.

“Este es un avance enorme para la fusión nuclear y para toda la comunidad (científica)”, le dijo a la BBC Debbie Callahan, física del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que alberga el NIF.

Como parámetro del progreso, el rendimiento del experimento de este mes es ocho veces el récord anterior de la NIF, establecido en la primavera de 2021, y 25 veces el rendimiento de los experimentos llevados a cabo en 2018.

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“El ritmo de mejora en la producción de energía ha sido rápido, lo cual sugiere que pronto podremos alcanzar más hitos de energía, como exceder la entrada de energía de los láseres usados para poner en marcha el proceso”, dijo el profesor Jeremy Chittenden, codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial del Imperial College de Londres, Reino Unido.

Además, los científicos del NIF también creen que ahora han logrado algo llamado “plasma ardiente”, que ocurre cuando las propias reacciones de la fusión proporcionan el calor para una fusión mayor.

Esto es vital para que el proceso sea autosostenible.

“La quema [del combustible] autosostenida es esencial para obtener un alto rendimiento”, explicó Callahan. “La onda de combustión tiene que propagarse hacia el combustible de alta densidad para extraer mucha energía de fusión”.

“Creemos que este experimento está en ese punto, aunque todavía estamos haciendo análisis y simulaciones para asegurarnos de que comprendemos bien el resultado”.

En cuanto al siguiente paso, Callahan dijo que los experimentos se repetirán. “Es fundamental para la ciencia experimental; necesitamos entender cuán reproducibles y cuán sensibles son los resultados a los pequeños cambios”, dijo la científica.

“Después de eso, generaremos ideas sobre cómo mejorar el diseño, y comenzaremos a trabajar en ellas el próximo año”.

“El megajulio de energía liberado en el experimento es realmente impresionante en términos de fusión, pero en la práctica esto es equivalente a la energía necesaria para hervir una tetera”, explicó el profesor Chittenden.

Y añadió: “Se pueden lograr energías de fusión mucho más altas mediante la ignición si logramos averiguar cómo mantener el combustible unido durante más tiempo, para permitir que se queme más. Este será el próximo horizonte para la fusión por confinamiento inercial”.

Fusión, fisión y armas nucleares

La energía nuclear existente se fundamenta en un proceso llamado fisión, en el que un elemento químico pesado se divide para producir otros más ligeros.

La fusión funciona combinando dos elementos ligeros para hacer uno más grande y pesado.

La construcción del NIF comenzó en 1997 y se completó en 2009. Los primeros experimentos para probar la potencia del láser comenzaron en octubre de 2010.

La otra función del NIF es ayudar a garantizar la seguridad y confiabilidad del arsenal de armas nucleares de Estados Unidos.

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En ocasiones, los científicos que quieren utilizar el enorme láser para la fusión se han visto exprimidos por experimentos orientados a la seguridad nacional.

En 2013, la BBC informó que durante los experimentos en el NIF, la cantidad de energía liberada a través de la fusión había excedido la cantidad de energía absorbida por el combustible, un avance y una novedad para cualquier instalación de fusión en el mundo.

Los resultados de estas pruebas se publicaron más tarde en la revista científica Nature.

NIF es uno de los varios proyectos en distintas partes del mundo orientados a promover la investigación de la fusión nuclear. Entre ellos se incluye la instalación Iter, con una inversión de miles de millones de euros, actualmente en construcción en Cadarache, Francia.

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Iter adoptará un enfoque diferente para la fusión impulsada por láser en NIF; la instalación en el sur de Francia utilizará campos magnéticos para contener plasma caliente, gas cargado eléctricamente. Este concepto se conoce como fusión por confinamiento magnético (MCF).

Pero construir instalaciones de fusión comercialmente viables que puedan proporcionar energía a la red requerirá otro gran salto.

“Convertir este concepto en una fuente renovable de energía eléctrica probablemente será un proceso largo e implicará superar desafíos técnicos sustanciales, como poder recrear este experimento varias veces por segundo para producir una fuente de energía constante”, resumió Chittenden.

Una sola hora de luz solar tiene el poder suficiente para abastecer de energía a la Tierra por un año entero. ¿Por qué es tan poderosa la luz del Sol? Porque surge de una reacción llamada fusión nuclear.

Este proceso, que tiene el potencial de generar energía eterna, es considerado el santo grial de la industria energética y varias de las mentes más brillantes del mundo están abocadas a intentar desarrollarla.

En una entrevista con la BBC a finales de 2016 el famoso físico británico Stephen Hawking, quien falleció en marzo pasado, dijo que la tecnología que permite generar fusión nuclear es la más prometedora para la humanidad.

“Me gustaría ver el desarrollo de la energía de fusión“, respondió, consultado sobre la idea que más podría transformar a nuestra sociedad.

“La fusión nuclear sería una fuente de energía práctica que nos daría una cantidad inagotable de energía, sin contaminar ni generar calentamiento global”, señaló.

A diferencia de la energía nuclear tradicional, que se genera separando átomos -un proceso que se conoce como fisión- esta nueva fuente energética se crea fusionando -es decir, uniendo- los átomos.

Más concretamente fusionando hidrógeno para producir helio, una reacción que libera enormes cantidades de energía, igual que lo que ocurre en el Sol.

La idea, en esencia, es crear “microsoles” en la Tierra.

La carrera por alcanzar el santo grial

Hoy existen más de 25 emprendimientos privados dedicados a este fin, varios de ellos financiados por algunos de los empresarios más conocidos del planeta, como Bill Gates (Microsoft), Jeff Bezos (Amazon) y Peter Thiel (PayPal).

El primer proyecto privado fue Tri-Alpha Energy (o TAE Technologies), basado en California, Estados Unidos, que ya lleva dos décadas de existencia.

Uno de sus inversores más famosos fue el cofundador de Microsoft, Paul Allen, quien falleció en octubre pasado.

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Un peso pesado del sector es Commonwealth Fusion Systems, una startup fundada por seis profesores del prestigio Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).

Aunque apenas fue creado hace un año, es considerado uno de los proyectos más ambiciosos porque tiene como meta crear un prototipo de reactor para 2025.

Gates y Bezos son dos de los que financian este emprendimiento, junto con otros famosos empresarios como Richard Branson y Michael Bloomberg.

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También algunas petroleras están empezando a apostar por un futuro sin combustibles fósiles. Según la agencia Bloomberg, la italiana Eni SpA encabezó un grupo que invirtió US$50 millones en Commonwealth Fusion Systems en marzo pasado.

Esfuerzo internacional

Pero algunos expertos creen que el proyecto que más posibilidades tiene de avanzar no está en el sector privado.

Se trata del llamado Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER, por sus siglas en inglés), que se construye en Cadarache, en el sur de Francia, con un presupuesto de US$23.000 millones.

35 países colaboran en este experimento científico, que se inició hace más de tres décadas.

Los responsables de ITER estiman tener listo un reactor a gran escala recién para 2050.

Diversos países también desarrollan sus propias iniciativas. En abril pasado la BBC pudo acceder a las instalaciones en la provincia de Anhui, en China, donde científicos de ese país aseguran estar más avanzados que sus pares en EE.UU., la Unión Europea (UE), Japón, Corea del Sur y Brasil.

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El problema

Pero todos estos proyectos se enfrentan con el mismo problema, que curiosamente no es cómo lograr la fusión nuclear.

El gran desafío es cómo generar más energía de la que se gasta en el proceso.

La fusión se basa en calentar la materia a temperaturas muy altas, que superan los cientos de millones de grados. En esa estado, la materia se llama plasma.

A diferencia del Sol, la Tierra no tiene las condiciones para mantener ese plasma caliente. Para lograrlo, se debe aislar el plasma de otras materias. Para ello, se utilizan unas cámaras especiales en forma de anillo llamadas tokamak.

Los tokamak utilizan poderosos imanes para crear un campo magnético que mantiene al plasma aislado. El problema es que hoy estas cámaras consumen más energía de la que logran producir.

La solución a la que apuntan emprendimientos como Commonwealth Fusion Systems es usar mejores imanes, pero lo cierto es que nadie hasta ahora ha logrado superar este gran escollo.

Algunos como el creador de Tesla, Elon Musk, creen que habría que invertir en crear mejores paneles solares y baterías para capturar la energía del Sol, en vez de desperdiciar dinero en tratar de reproducir a nuestra estrella.

Sin embargo, la inversora IP Group Plc le dijo a la agencia Bloomerg que aunque la energía de fusión tarde más tiempo que lo deseado en poder desarrollarse, muchas de las innovaciones creadas para esta industria están resultando muy lucrativas.

“Las empresas de investigación están patentando muchas de sus creaciones, desde un software que simula la combustión de plasma a 150 millones de grados centígrados hasta un nuevo tipo de imán que tiene aplicaciones médicas”, informó Bloomberg.

Mientras tanto, habrá que esperar para saber si el deseo del profesor Hawking de una energía ilimitada y limpia se podrá hacer realidad.