Sugieren una nueva manera de llegar a la fusión nuclear

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La fusión nuclear controlada ha sido el santo grial para los físicos que buscan un suministro interminable de energía limpia. Científicos de la Universidad Rice, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, ambas en Estados Unidos, y de la Universidad de Chile aportaron su visión de un posible nuevo camino hacia esa meta.

Su informe sobre la fusión controlada cuántica pone de relieve la idea de que, en lugar de calentar los átomos a temperaturas como las halladas en el interior del sol o hacerlos chocar en un colisionador, es posible llevarlos lo suficientemente cerca los unos de los otros como para fundirlos usando pulsos de láser conformados: haces ultracortos de luz afinada coherente. [¿Alguna vez te has preguntado qué es la luz láser? Descúbrelo aquí.]

Los autores del estudio, Peter Wolynes de Rice, Martin Gruebele de Illinois y el egresado de Illinois Eduardo Berrios de Chile, simularon reacciones en dos dimensiones que, si se extrapolaban a tres, podrían producir energía eficientemente partiendo del deuterio y tritio u otros elementos.

Su artículo aparece en la edición Festschrift de Chemical Physical Letters dedicada a Ahmed Zewail, consejero postdoctoral de Gruebele y galardonado con el Premio Nobel por su trabajo en femtoquímica, en el que destellos láser de femtosegundos desencadenan reacciones químicas.

La técnica femtoquímica es central para la nueva idea de que los núcleos pueden ser llevados lo suficientemente cerca los unos de los otros como para superar la barrera de Coulomb que obliga a los átomos de carga similar a repelerse mutuamente [algo así. Cuando esto se logra, los átomos pueden fundirse y liberar calor a través de la dispersión de neutrones. Cuando se crea más energía de la que se necesita para sostener la reacción, la fusión sostenida se hace viable.

El truco consiste en hacer todo esto de una manera controlada, truco que han estado persiguiendo los científicos durante décadas, principalmente mediante la contención de plasmas de hidrógeno a temperaturas similares al sol (en el Servicio Nacional de Ignición del Departamento de Energía de los Estados Unidos y en el International Thermonuclear Experimental Reactor en Francia) y en grandes instalaciones.

(Imagen ampliable) El uso de pulsos de láser conformados podría hacer posible juntar átomos de moléculas de deuterio/tritio lo suficientemente cerca como para hacer que se fusionen. Imagen: Grupo Gruebele/Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

El nuevo trabajo describe una simulación básica de prueba de concepto que muestra cómo, en dos dimensiones, un pulso de láser moldeado podría empujar una molécula de deuterio y tritio, con sus núcleos ya están situados a una distancia internuclear mucho menor que en un plasma, casi lo suficientemente cerca como para fundirse. “Lo que les impide unirse es la carga positiva de los núcleos, y ambos núcleos tienen la carga más pequeña”, dijo Wolynes.

Dijo que las simulaciones en 2D eran necesarias para mantener los cálculos iterativos viables, a pesar de que hacerlo requería extraer electrones de las moléculas modelo. “La mejor manera de hacerlo sería dejar los electrones activos para ayudar al proceso y controlar sus movimientos, pero ese es un problema de dimensiones superiores la que nos enfrentaremos (o alguien se enfrentará) en el futuro”, dijo Wolynes.

Sin los electrones, todavía era posible juntar los núcleos a una distancia de una pequeña fracción de un angstrom mediante la simulación de los efectos producidos por pulsos de láser cercanos al infrarrojo de 5-femtosegundos, que mantienen los núcleos unidos en el “campo de unión” de una molécula.

“Durante décadas, los investigadores también han investigado la fusión catalizada con muones, donde el electrón en la molécula de deuterio/tritio es reemplazado por un muón”, dijo Gruebele. “Imagínatelo como un electrón 208 veces más pesado. Como resultado, la distancia del enlace molecular se reduce en un factor de 200, poniendo los núcleos en posiciones aún más idóneas para la fusión.

“Tristemente, los muones no viven eternamente, y la creciente eficiencia de la fusión apenas llega al equilibrio en la producción de energía”, dijo. “Pero cuando la disponibilidad de los pulsos de láser conformado ultravioleta de vacío iguale a los cercanos al infrarrojo que simulamos aquí, el control cuántico de la fusión muónica podría superar el umbral”.

Puesto que el modelo funciona a nivel cuántico (donde las partículas subatómicas están sujetas a reglas diferentes y tienen las características tanto de partículas como de ondas) el principio de incertidumbre de Heisenberg entra en juego. Eso hace imposible saber la ubicación precisa de las partículas [sobre lo que hablamos aquí] y hace que el ajuste de los láseres sea un desafío, dijo Wolynes.

“Está claro que el tipo de pulsos que necesitas tiene que estar altamente esculpido y tener muchas frecuencias en él”, dijo. “Probablemente requerirá de experimentación averiguar cuál debería ser la mejor forma de pulso, pero puesto el tritio es radiactivo, nadie quiere ponerlo en su aparato hasta que esté seguro de que va a funcionar”.

Wolynes dijo que él y Gruebele, cuyo laboratorio estudia el plegamiento de proteínas, la dinámica celular, la microscopía de nanoestructuras, el comportamiento del nado de los peces y otros temas, han estado pensando en las posibilidades durante una década, a pesar de que la fusión nuclear es más un hobby que una profesión para ambos . “Finalmente tuvimos el valor de decir: ‘Bueno, vale la pena decir algo al respecto’”.

“No estamos empezando una empresa… todavía”, dijo. “Pero puede haya ángulos aquí que otras personas puedan pensar que llevarían a algo práctico, incluso a corto plazo, como la producción de pulsos cortos de partículas alfa que podrían ser útiles en aplicaciones de investigación.

“Estaría mintiendo si dijera que cuando comenzamos el cálculo, no esperábamos que pudiera resolver los problemas energéticos de la humanidad”, dijo Wolynes. “En este punto, no lo hace. Pero por otro lado, creo que es una pregunta interesante que nos abre un nuevo camino”.

Artículo original publicado por la Universidad Rice. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-03-03T19:12:39+00:00