El sueño de la Humanidad por domar la energía de las estrellas

En las últimas décadas se han multiplicado los esfuerzos para desarrollar maneras más eficientes con las que recoger la energía con la que el sol irradia nuestro planeta todos los días, a todas horas. Pero, ¿hay algún otro modo de aprovechar la energía del sol? ¿Y si existiera una manera de replicar aquí en la Tierra el mismo mecanismo que hace brillar las estrellas y utilizar esa energía para cubrir nuestras necesidades energéticas? Eso es, precisamente, lo que algunos científicos nucleares llevan intentando desde los años 50.

Veamos primero de dónde saca el Sol su energía.

Cada átomo que compone la materia consiste en un núcleo que contiene protones y neutrones, además de una nube de electrones que da vueltas a su alrededor. Si toda la materia está hecha de los mismos tres componentes básicos, ¿qué distingue a un elemento químico del otro? Pues, básicamente, el número de protones que contiene en su núcleo: lo que diferencia un átomo de mercurio de uno de oro, por ejemplo, con 80 y 79 protones respectivamente, es un simple protón.

En realidad el mercurio también contiene algún neutrón y electrón extras para mantenerse en equilibrio, pero la diferencia fundamental entre ambos reside en el número de protones que hay en su núcleo. Si os interesa este tema, hablaba con más detalle sobre él en esta entrada en la que discutía si podrían existir un número infinito de elementos químicos distintos.

La cuestión es que si estrellamos con suficiente fuerza dos átomos como para unir sus núcleos, entonces obtendremos un núcleo nuevo con una cantidad de protones igual a la suma de los que contenían los dos átomos originales. Por tanto, al contener más protones, este nuevo núcleo atómico será un elemento químico distinto a cualquiera de los dos que se ha usado para producirlo.

No tenemos ningún material capaz de soportar los millones de grados de temperatura ni la presión necesaria para que se lleve a cabo la fusión

Este mismo proceso se utiliza para producir pequeñas cantidades de elementos que no se encuentran en la naturaleza, como por ejemplo el tecnecio. El fenómeno se llama fusión nuclear y en este caso, aunque estrellar átomos entre sí para obtener elementos nuevos nos resulte beneficioso, no nos aporta nada a parte del producto final que final que resulta de ello.

En el espacio, la fusión nuclear es el proceso que produce la energía en el núcleo del Sol, donde las condiciones extremas de calor y presión acercan tanto los átomos entre sí que los núcleos de hidrógeno se ver forzados a colisionar unos contra otros, produciendo helio. Y es toda esa energía liberada la que calienta la masa de nuestra estrella hasta la incandescencia.

Lo atractivo de la fusión nuclear es la cantidad tremenda de energía que libera: un solo kilogramo de combustible puede producir tanta energía como 10 millones de kilos de combustibles fósiles al quemarse. Con estas cifras, y teniendo en cuenta que los reactores de fusión nuclear no sólo serían muy seguros sino que, además, apenas producirían material de desecho, no es de extrañar que haya gente intentando construirlos para el provecho de la humanidad.

Sin toda la masa necesaria para contener la explosión, una estrella en miniatura simplemente reventaría

Por desgracia, no es tan sencillo.

Conseguir una reacción de fusión nuclear que se sostenga de manera continuada no es nada fácil. A veces se habla de la creación de estrellas en miniatura para darle romanticismo a la idea de conseguir emular el proceso que mantiene el brillo del Sol. Esta idea, tomada de manera literal, no tiene ningún sentido porque las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en el núcleo de una estrella generan una onda expansiva que empuja la estrella hacia afuera desde dentro.

Afortunadamente, al mismo tiempo la masa del resto de la estrella comprime el núcleo en la dirección contraria debido a la acción de la gravedad, por lo que esa onda expansiva queda confinada y la estrella mantiene una forma esférica. Esto limita el tamaño mínimo de una estrella a entre 0,07 y 0,08 veces la masa del Sol. O sea que sin toda la masa necesaria para contener la explosión, una estrella en miniatura simplemente reventaría.

De hecho, ese es el motivo por el que las bombas de hidrógeno explotan: desencadenan un proceso de fusión nuclear que no está contenido por nada... Y así termina el asunto

Entonces, ¿cómo pretendemos imitar el mecanismo que hace brillar las estrellas sin saltar por los aires?

Las reacciones de fusión nuclear se sostienen en el núcleo de las estrellas porque:

1) Hace un calor tremendo, del orden de decenas de millones de grados (unos achicharrantes 15 millones de grados Celsius, en el caso del Sol).

2) La presión a la que está sometido el núcleo, comprimido por todo el peso de la estrella, es inimaginable (alrededor de 200.000 millones de atmósferas para nuestra estrella particular).

3) La densidad en el núcleo de una estrella es altísima, lo que significa que los núcleos de los átomos están muy cerca los unos de los otros y lo tienen más fácil para estrellarse entre sí y fusionarse. En cuanto al Sol, su núcleo presenta una densidad de 150 gramos por centímetro cúbico, unas 14 veces mayor que la del plomo.

Un sólo kilogramo de combustible puede producir tanta energía como 10 millones de kilos de combustibles fósiles

Pero, como podéis imaginar, no existe ninguna clase de maquinaria que pueda producir y soportar a través del contacto directo estas condiciones porque… bueno, porque no tenemos ningún material capaz de soportar los millones de grados de temperatura ni la presión necesaria para que se lleve a cabo la fusión. O sea, que para conseguir aprovechar la energía de la fusión nuclear, los científicos han tenido que ingeniárselas usando métodos alternativos.

Por un lado se han desarrollado mecanismos de confinamiento inercial, que simplemente se dedican a comprimir y calentar una pequeña cápsula llena de combustible (una mezcla de deuterio y tritio, de los que hablaba en esta entrada sobre el agua pesada para que los átomos que contiene empiecen a fusionarse. Pero, como había comentado, no existe ningún material capaz de hacerlo directamente, así que se utilizan láseres muy potentes que enfocan toda su energía sobre una pequeña cápsula, como se puede ver en la siguiente animación:

Lo que, en la vida real, tiene esta pinta:

Este método hizo saltar los titulares a principios del año pasado, anunciando que un experimento había conseguido producir una mayor cantidad de energía que la que se había invertido para iniciar la fusión nuclear. Y resultó que los titulares estaban exagerando la realidad: sí, la fusión había producido más energía de la que fue proyectada directamente sobre la cápsula… Pero el 99% de la energía de los láseres ya se había perdido por el camino a través del sistema de lentes que se utiliza para enfocarlos. O sea que, en realidad, el experimento había conseguido producir alrededor de un 1% de la cantidad de energía que se había invertido en él.

Suele hablarse de fabricar 'estrellas en miniatura', pero sin toda la masa necesaria para contener la explosión una estrella tan pequeña reventaría

Por suerte existe otro método más prometedor que hasta ahora ha obtenido mejores resultados a la hora de sostener una reacción de fusión nuclear: el confinamiento magnético, que consiste en ensamblar tubos que contienen imanes y darles forma de toroide, para luego producir un poderoso campo magnético que mantiene el plasma obtenido durante la fusión confinado en el centro del montaje, sin que toque las paredes para evitar que la reacción destroce toda su estructura.

Como el plasma tiene carga eléctrica, estos campos magnéticos generan corrientes eléctricas a través de él (hablaba de este fenómeno con más detalle en esta entrada) que aumentan su temperatura hasta llegar a producir el calor necesario para iniciar la fusión nuclear.

Este enfoque es el que ha producido los mejores resultados hasta la fecha. En 1997, el Joint European Torus (JET, por sus siglas en inglés), el experimento de confinamiento magnético de plasma más grande del mundo, logró producir 16 Megawattios (MW) de energía tras invertir 24 MW para desencadenar la fusión nuclear, lo que representa una eficiencia del 65%.

El método más prometedor hasta ahora consiste en producir un campo magnético que mantenga el plasma obtenido durante la fusión confinado

El resultado representa un avance pero, por supuesto, el objetivo de la fusión nuclear es conseguir una reacción que genere más energía de la que se invierte en iniciarla, así que aún nos estamos quedando cortos. El proyecto ITER, el más ambicioso hasta la fecha y cuya puesta en marcha está planeada para 2020, tiene como objetivo producir 500MW de energía a partir de 0,5g de combustible durante 1.000 segundos para comprobar si la fusión nuclear y todo el equipamiento necesario para conseguirla son viables a escala comercial. Sergio Ferrer hablaba sobre este tema y el papel que juega España en el proyecto en este otro artículo de Teknautas.

Teniendo todo esto en cuenta, ¿cuánto tardaremos en tener nuestras necesidades energéticas cubiertas por el proceso que ilumina las estrellas?

Por desgracia, los avances en este campo se suceden despacio debido a los tremendos costes y la sofisticación de la maquinaria necesaria para realizar los experimentos. Todavía estamos muy lejos de lograr extraer más energía del proceso de la que invertimos para iniciarlo y, teniendo en cuenta que la reacción de fusión nuclear que ha se conseguido sostener durante más tiempo duró 30 segundos, estamos más lejos aún de crear una reacción controlada y permanente. Como a menudo bromean los físicos: “la fusión nuclear es la energía del futuro… y siempre lo será”.