Construyendo un sol en miniatura

A. González Arias

Gracias a los procesos nucleares que tienen lugar en su interior, el Sol continuamente genera energía emitiendo radiación electromagnética, que proporciona luz y calor, más gran cantidad de diversas partículas subatómicas, el llamado ‘viento solar’.  La pequeña parte de esa energía que llega hasta nosotros ha hecho posible la vida en nuestro planeta durante millones de años, pues la casi totalidad de la energía utilizada por los seres vivos proviene del Sol.

  Las plantas absorben energía solar directamente en forma de radiación para realizar la fotosíntesis y desarrollarse; los herbívoros absorben esa energía indirectamente nutriéndose de las plantas, y los carnívoros también recolectan una fracción cuando se alimentan de los herbívoros.  Además, los combustibles fósiles como el petróleo y la hulla almacenan la energía solar capturada hace millones de años mediante la fotosíntesis.  Por su parte, las hidroeléctricas aprovechan la energía potencial gravitatoria del agua que se condensó y precipitó desde las alturas creando ríos y embalses, tras evaporarse de mares y océanos por el calor solar.  No obstante, el uso directo de la radiación solar para obtener energía aún no está muy extendido, principalmente porque los medios diseñados hasta el momento para aprovecharla no son muy eficaces.

¿Cómo se genera la energía solar?

En lo esencial, el Sol ‘quema’ Hidrogeno (­₁H¹) pero no de la forma usual, combinándose con el oxígeno, sino fusionando sus núcleos para formar núcleos de Helio (₂He⁴).[1] 

Esta típica reacción nuclear de fusión es el resultado de un ciclo complejo donde además intervienen núcleos de Deuterio (₁H²) y Tritio (₁He³), que no son más que isótopos pesados del Hidrógeno con uno y dos neutrones adicionales en el núcleo.[2]  Dos núcleos de Hidrógeno se unen a formar uno de Deuterio, que después reaccio con otro de Hidrógeno a formar Tritio, y finalmente estos dos se unen para formar el Helio. Como resultado colateral se obtiene varias partículas elementales y se desprende energía en grandes cantidades. Se ha calculado que el Sol produce en un segundo 760,000 veces el equivalente a la producción energética anual a nivel mundial.  El proceso es muy eficiente: un pequeño volumen de Hidrógeno produce una gran cantidad de energía. No hay que preocuparse; la edad del Sol es de unos cinco mil millones de años y el combustible nuclear que aún posee durará al menos otro tanto.

Además de la reacción anterior, existen otras donde intervienen núcleos de carbono y nitrógeno, llegando al mismo resultado final.  No obstante, se sabe que un 75% de la energía solar es generada de la forma descrita más arriba.

El sol artificial

No son los millones de años más o menos ha de durar el Sol lo que preocupa a la mayoría de científicos y tecnólogos que se dedican a estudiar las reacciones nucleares; les interesa conocer hasta que punto será posible obtener en la Tierra una fuente de energía que funcione ‘quemando’ Hidrógeno eficientemente, tal como ocurre en el Sol.  El calor generado se emplearía en obtener electricidad a bajo costo de una manera mas limpia que los combustibles fósiles o la energía nuclear convencional, sin producir gases de efecto invernadero.  Esa energía provendría de fuentes prácticamente inagotables, pues se puede obtener Hidrógeno por electrólisis a partir del agua de los océanos, empleando como fuente energética la propia energía generada por la reacción nuclear.

Sin embargo, hay una dificultad esencial para construir un sol artificial en la Tierra, y es la siguiente. Para que la reacción de fusión tenga lugar, es imprescindible que los núcleos se acerquen a una distancia muy pequeña, a lo que se opone el hecho de que los protones poseen igual carga (+) y, por tanto, se repelen –tanto más fuerte cuanto mas cerca se encuentran-.  Una forma de conseguir que los protones se fusionen es elevar la temperatura.  De esa manera se incrementa la velocidad de las partículas y, eventualmente, se producirán choques con suficiente energía como para iniciar la reacción. Una vez iniciada, será necesario controlarla y confinarla en un recinto adecuado para lograr que la energía liberada mantenga alta la temperatura.  Sólo así el proceso podrá autosostenerse al introducir Hidrógeno continuamente y generar energía adicional aprovechable.

Hasta el momento se han intentado diferentes procedimientos con este fin, pero ninguno ha dado resultado.  La energía liberada es tan grande y el sistema se vuelve tan inestable que no se logra mantener la reacción más allá de fracciones de segundo.

Investigaciones actuales

En abril de 2009 se inauguró en el Centro Nacional de Ignición (CNI) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, el láser más grande y de más alta energía creado hasta el momento.  Está compuesto por 192 láseres gigantes cuyos haces convergen en una cámara de reacción de 10 metros de diámetro.  La instalación resume la experiencia acumulada durante más de 60 años de investigaciones sobre la fusión controlada.  Las primeras pruebas a baja energía resultaron satisfactorias, y está planificado ir incrementando paulatinamente la potencia entregada. El nuevo láser ya ha generado 20 veces más energía que cualquier otro sistema anterior.  Cuando todos los láseres se disparen a plena potencia emitirán 1.8 megajoule de radiación ultravioleta sobre un blanco de medio centímetro de diámetro con una pulsación láser de 20 nanosegundos, generando 500 billones de watt de potencia máxima (más que el pico mayor de producción eléctrica actual en todos los Estados Unidos). Esta energía es más que suficiente para fusionar el deuterio y el tritio en núcleos de helio y producir mucha más energía en el proceso que la usada para iniciar la reacción.  Los primeros intentos a plena potencia están planificados para finales de 2010.

Las primeras pruebas serán a finales de 2010

Deuterio y Tritio, fusionandose a formar un núcleo de Helio y un neutrón + 14.1 megaelectronvolt de energía en forma de radiación electromagnética durante el proceso.