Avance histórico para la energía limpia del futuro

Una de las aplicaciones más prometedoras de la tecnología láser, la realización de la fusión por confinamiento inercial, ha logrado un avance histórico. Según anunció el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL, California, EE.UU.) en su comunicado de prensa del 13 de diciembre de 2022, los científicos estadounidenses de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) lograron liberar una energía de fusión de 3,15 megajulios (MJ) a partir de una pastilla llena de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio. Esto equivale al 154 por ciento de la energía gastada equivalente a 2,05 MJ del pulso láser que desencadenó la explosión. Esta ganancia neta de energía representa el primer avance internacional largamente esperado en la investigación de la fusión. Estos resultados proporcionarán una capacidad sin precedentes para apoyar la misión de Física de Alta Densidad Energética del Departamento de Energía de EE.UU. y establecieron la plataforma física para generar una fuente de energía eficiente comparable a la solar, convirtiéndola en un complemento viable a largo plazo de las energías renovables.

"Traer el poder de las estrellas a la Tierra es un momento decisivo para la humanidad, que hace tangible la perspectiva de una fuente de energía limpia, abundante, segura y fiable", dijo un encantado profesor Constantin Haefner, director del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT en Aquisgrán, Alemania, quien a su vez fue director del Programa de Tecnologías Fotónicas Avanzadas en NIF durante muchos años hasta 2019. "Este avance es la culminación de un viaje científico de 60 años destinado a resolver uno de los desafíos técnicos más difíciles a los que se enfrenta la humanidad."

La fusión de hidrógeno en helio libera inmensas cantidades de energía

En el nuevo hito del NIF, unos láseres pulsados gigantes suministran energía de más de 2 millones de julios de luz ultravioleta con precisión a un cilindro recubierto de oro de ~1 cm de longitud, que los expertos denominan "Hohlraum", donde la interacción de los haces láser con las paredes interiores produce rayos X. Estos se propagan luego uniformemente por el hohlraum. A continuación, éstos se propagan uniformemente en el hohlraum como en un horno caliente. Una perla de unos 2 milímetros de tamaño, que contiene una mezcla de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio y está suspendida en el centro del hohlraum, absorbe los rayos X que se propagan calentándose rápidamente. La envoltura exterior de la pastilla se desprende, y la presión de implosión resultante comprime el combustible de hidrógeno alcanzando una densidad cientos de veces superior a la de la materia sólida, formando un punto caliente en su centro con una temperatura o superior a 120 Millones de Grados Celsius. A su vez, esto desencadena la fusión del hidrógeno en helio. Cada reacción de fusión de dos núcleos ligeros libera 17,6 MeV por reacción en forma de neutrones y partículas alfa. Las partículas alfa son reabsorbidas inmediatamente por el plasma, lo que provoca un calentamiento adicional y desencadena una onda de combustión autosostenida. Al cabo de menos de 100 picosegundos, la alta temperatura y la enorme presión hacen que el combustible restante se expanda y que los parámetros caigan por debajo del umbral de fusión, conocido como criterio de Lawson. Este efecto también hace que la reacción de fusión sea segura, ya que no puede producirse ninguna reacción crítica en cadena.

En el experimento actual se utilizaron 2,05 MJ de energía láser para comprimir y calentar el blanco. Debido a la ineficacia del proceso de implosión, sólo un 1% de la energía llega al punto caliente. El escape térmico impulsado por la reacción de fusión encendió el plasma y produjo ~ 3,15 MJ de energía con una potencia instantánea de unos 52.500.000.000.000.000 vatios, cuyo diámetro es menos grueso que un cabello. El avance clave con respecto a los resultados anteriores fue posible gracias a los datos de experimentos anteriores y a una mejor comprensión de la física de la fusión, que luego permitió mejorar el diseño del hohlraum, la estructura de la pastilla de combustible y modificar el láser y el pulso láser.

La energía de fusión: fuente de energía limpia y prácticamente inagotable del futuro

Para alcanzar el objetivo climático mundial de limitar el calentamiento global a menos de 2 Grados Celsius, Alemania debe lograr la neutralidad del efecto invernadero para 2045. Esto se logrará con la ayuda de una expansión masiva y rápida de las energías renovables, desde el 50% actual hasta el 100% para la producción de electricidad, y el abandono completo de las fuentes de energía fósiles en todos los sectores de uso final mediante el aumento de la eficiencia energética y el uso de todo tipo de fuentes de energía renovables. Esto irá acompañado de una reducción continua de la dependencia de la importación de combustibles fósiles. Al mismo tiempo, el hidrógeno producido a partir de recursos renovables es necesario para almacenar y transportar energía desde emplazamientos con exposición solar y eólica de alta eficiencia. "En todo el mundo, se espera que la demanda de electricidad crezca con fuerza en las próximas décadas. Por un lado, la electricidad se está convirtiendo en la energía primaria más importante, ya que también se utilizará cada vez más para calefacción en edificios e industria y en el sector de la movilidad y se convertirá en hidrógeno y derivados del hidrógeno", afirma el profesor Hans-Martin Henning, director del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE y presidente del Consejo de Expertos en Cuestiones Climáticas del Gobierno alemán. "Por otro lado, se necesitará electricidad en cantidades aún mayores que las actuales para desalinizar el agua y, a largo plazo, probablemente también para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera".

La generación de energía a partir de la fusión podría abrir una fuente de energía adicional, prácticamente inagotable, independiente de las condiciones meteorológicas y, sobre todo, igualmente libre de emisiones. Sin embargo, la fusión controlada para la producción de energía es técnicamente muy exigente; resolver los retos pendientes y construir el primer demostrador de fusión llevará claramente más de una década. Por lo tanto, no contribuirá a una reducción acelerada de las emisiones de gases de efecto invernadero a corto y medio plazo. El Prof. Haefner, comisario para la investigación de la fusión de la Fraunhofer Gesellschaft de Alemania, añade: "La fusión es una inversión de alto riesgo y alto rendimiento y -si tiene éxito- el santo grial para alcanzar la soberanía energética y satisfacer las necesidades energéticas del mundo a largo plazo. "Ahora es el momento de zarpar para llevar la energía de fusión a la red, un viaje que es claramente un esfuerzo multidecenal, suponiendo que el mundo se comprometa y mantenga la inversión".

La urgencia de demostrar y luego llevar al mercado la energía de fusión inercial (IFE) se ve respaldada por el rápido crecimiento del interés del sector privado en el desarrollo de la energía de fusión. En marzo de 2022, la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca de Estados Unidos reunió a la industria y el mundo académico en una cumbre para anunciar una audaz visión decenal del desarrollo comercial de la energía de fusión.

Un número creciente de empresas de nueva creación de todo el mundo están abordando aspectos del desarrollo tecnológico que aún son necesarios. En la actualidad, más de 30 empresas trabajan en el campo de la energía de fusión magnética y las tecnologías magneto-inerciales, y 6 en el de la IFE. La inversión total ha pasado de 1.800 millones de dólares en los dos últimos años a más de 4.700 millones en la actualidad, según la Asociación de la Industria de la Fusión. Cuatro de estas empresas tienen su sede en Alemania.

Un cambio en la tecnología láser

El último experimento representa un gran logro para la ciencia y es un testimonio de la versatilidad y precisión de los láseres. La instalación NIF, con un presupuesto de 3.500 millones de dólares, alberga el sistema láser de mayor energía del mundo y el mayor sistema óptico del mundo, con más de 7.500 ópticas especializadas a escala de metro que generan y dirigen la energía láser hacia el objetivo. La instalación NIF suele disparar una vez al día; un demostrador IFE o una central eléctrica necesitarían disparar entre 10 y 20 veces por segundo con una alta eficiencia de taponamiento. Todos los sistemas de inyección de combustible en el objetivo, la eliminación de residuos y los conceptos de láser deben demostrar eficiencia, fiabilidad, facilidad de mantenimiento y capacidad operativa; madurar las arquitecturas y tecnologías para convertirlas en dispositivos listos para las centrales eléctricas de fusión, al tiempo que se reducen los costes de producción y funcionamiento, y se aseguran y construyen cadenas de suministro. Las reducciones de costes necesarias, que suelen ser de varios órdenes de magnitud, requieren soluciones innovadoras y pioneras por parte de la industria del láser y la óptica.

"Digamos que en 2050 tendremos que poner en marcha varias centrales de fusión al año para que la IFE contribuya a nuestra red eléctrica. Esto requerirá la producción de muchos cientos de potentes láseres del tamaño de contenedores de ultramar", afirma el profesor Haefner. "Tenemos que replantearnos por completo la producción de láseres y ópticas y establecer líneas de producción automatizadas como las de la industria automovilística, sólo que con una precisión de menos longitudes de onda ópticas".

Los medios de ganancia de los amplificadores, las ópticas, los revestimientos, los cristales... todo ello requerirá una producción en serie a bajo coste. Y hay muchos más problemas complejos que resolver en el camino hacia la energía de fusión. Sin embargo, los retos estimulan la innovación, y la innovación genera nuevas soluciones en otros mercados, proporcionando un rápido retorno de la inversión. El profesor Haefner lo resume así: "La energía de fusión es una empresa de alto riesgo, y como tal, empezar y perseguir los enfoques más prometedores es una buena estrategia. La carrera ha empezado".