Artículo – El reactor de fusión inspirado en Tony Stark que busca ser alternativa energética / MIT Technology Review

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El reactor de fusión inspirado en Tony Stark que busca ser alternativa energética / MIT Technology Review

La start-up Commonwealth del MIT tiene un nuevo y potente imán que por fin podría hacer realidad la energía de fusión.

Durante un día nublado de principios de diciembre, una excavadora amarilla sacaba tierra del borde de un pozo profundo en Devens, Massachusetts (EE UU), en el emplazamiento de una antigua base militar, a unos 80 kilómetros de Boston.

Es el futuro hogar del prototipo de reactor de fusión SPARC, que logrará un objetivo que se le ha escapado a los físicos durante casi un siglo, si todo sale según lo esperado. Será capaz de producir más energía a partir de la fusión de átomos (el mismo fenómeno que alimenta al Sol) de la que se necesita para conseguir y mantener esas reacciones.

Los científicos de Commonwealth Fusion Systems esperan que en algún momento en 2025 su máquina supere este umbral, generando 10 veces más energía de la que se consume. Creen que esa demostración permitirá a la start-up desarrollar sus instalaciones a tamaño real con la capacidad de generar tanta electricidad como una pequeña planta de carbón a principios de la década de 2030.

Las infraestructuras capaces de aprovechar la fusión nuclear deberían ser una fuente barata de energía libre de CO2 basada en diferentes combustibles abundantes, en gran medida derivadas del agua. Lo fundamental es que la fusión podría generar un flujo estable de electricidad, llenando así los vacíos durante horas, días o incluso semanas en las que decaen las alternativas solares y eólicas. Así se simplificaría el camino hacia la electricidad de cero emisiones, y acabaría con la necesidad de avanzar con respecto al almacenamiento de energía y los exorbitantes bancos de baterías o la dependencia continua de las plantas de carbón y de gas natural para mantener las luces encendidas y las empresas funcionando.

Por otra parte, la propia complejidad técnica y el inmenso coste de lograr la fusión han frustrado las esperanzas de los científicos en repetidas ocasiones y han endurecido la postura de los escépticos. Durante mucho tiempo, existía la esperanza de que ITER (colaboración de investigación internacional concebida originalmente en 1980) lograse un reactor de energía neta. Pero los costes de sus instalaciones de aproximadamente 40 hectáreas en el sur de Francia se han triplicado, llegando cómo mínimo a los 22.000 millones de dólares (19.516 millones de euros). El proyecto lleva más de una década de retraso y aún faltan años para que finalice. E incluso si ITER al final funciona, su versión de tecnología de fusión podría ser demasiado costosa como para poder comercializarla.

«Lo más apremiante es: ¿Estará listo a tiempo para influir en el cambio climático?»

Commonwealth cree que puede ofrecer una máquina de fusión diferente a la de ITER: pequeña, rápida de construir y mucho más barata. El prototipo debería costar cientos de millones de dólares, en lugar de decenas de miles de millones, y su construcción tardaría años en lugar de décadas.

La clave de esta alternativa es un nuevo imán que ha desarrollado la start-up. Todo el entorno científico está muy atento al esfuerzo porque este equipo ya ha logrado un avance científico indiscutible al usar un nuevo tipo de material superconductor para construir el imán más poderoso de su clase. En una prueba realizada en septiembre del año pasado, el imán alcanzó una fuerza de campo de 20 teslas. Es casi el doble de fuerte que el imán de ITER, que se basa en materiales superconductores previos.

Los imanes se pueden utilizar para confinar el estado caliente de la materia en el que se producen las reacciones de fusión (plasma). Cuanto más poderosos sean esos imanes, más colisiones atómicas, reacciones y energía se pueden producir en menos tiempo. Un dispositivo de fusión construido con una serie de imanes de Commonwealth debería ser capaz de producir tanta energía como uno de ITER pero con un tamaño de una cuadragésima parte.

No obstante, existen varios retos que aún podrían complicar la idea de Commonwealth, o al menos frustrar su ambicioso calendario. Todavía nadie ha conseguido que un reactor de fusión produzca energía neta. El imán de Commonwealth no ha sido probado en un reactor activo y la fusión sigue siendo una tecnología muy experimental.

Pero también existe esperanza de que pueda funcionar, tras varias décadas de decepciones. Al menos la empresa, junto con sus patrocinadores, cree que está en camino de crear la fusión comercial a tiempo como para que juegue un papel importante en la transición a la energía libre de carbono en las próximas décadas. «Cuando hace unos cinco años ideamos este proyecto siempre pensábamos en la velocidad», afirma el director del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT y cofundador de Commonwealth Fusion, Dennis Whyte.

«Lo más apremiante es: ¿Estará listo a tiempo para influir en el cambio climático?» resalta Whyte. «El mayor riesgo es no llegar a tiempo».

El gran martillo

A diferencia de las plantas de carbón o de gas natural, los reactores de fusión no producirían gases de efecto invernadero. No existe un riesgo real de que se queden sin combustible, y el impacto ambiental asociado a su obtención es menor. A diferencia de su primo nuclear (la fisión), la fusión no requiere extracción ni gestión de uranio radiactivo.

En cambio, la máquina de Commonwealth, como la mayoría de otros reactores de fusión, se basaría en deuterio y tritio, ambos isótopos naturales de hidrógeno.

Los océanos están llenos de deuterio. El Departamento de Energía estadounidense señala que constituye una de cada 5.000 moléculas de hidrógeno en el agua de mar, y que solo 3,7 litros podrían producir tanta energía como 1.135 litros de gasolina.

«La variedad actual de energías renovables es positiva y necesaria, pero no es suficiente para revertir el cambio climático».

Los métodos para extraer deuterio del agua están bien establecidos y son rutinarios. El tritio, que contiene dos neutrones en su núcleo por uno de deuterio, es mucho más raro en la naturaleza, pero se puede extraer del litio.

En comparación con fuentes renovables como la eólica y la solar, la fusión podría generar mucha más energía en un espacio bastante más pequeño, y podría proporcionar una fuente de electricidad continua que no disminuya según el tiempo o la hora del día. La llamada energía de carga base es un factor esencial para una red fiable, y su necesidad es una razón clave por la que resulta tan difícil alejar al sector eléctrico de los combustibles fósiles. «La variedad actual de energías renovables es positiva y necesaria, pero no es suficiente para resolver el problema del cambio climático», destaca el cofundador y científico jefe de Commonwealth, Brandon Sorbom, que añade: «Hace falta una forma de energía de carga base limpia añadida a ese conjunto. Creemos que el problema es lo suficientemente grande como para necesitar este gran martillo, la fusión».

Muchos expertos llevan décadas imaginando que es la fisión nuclear la que podría tener ese papel, y la mayoría de ellos todavía mantiene esa visión. Pero gran parte de la sociedad y numerosos países se han alejado de ella debido a los altos costes de construcción de un reactor de fisión, que fácilmente puede superar los 5.000 millones de dólares (4.435 millones de euros), y por los peligros reales o percibidos, incluyendo temores sobre las pilas de residuos radiactivos. En cambio, la fusión no presenta riesgos de colapso. De hecho, se aleja de la amenaza de desastres como las de Chernóbil (Ucrania), Three Mile Island (EE UU) y Fukushima (Japón).

El tritio es radiactivo y el proceso de fusión libera neutrones, lo que requerirá rigurosos protocolos de seguridad para manipular materiales y, al final, desactivar las centrales. Pero la fusión no produce residuos radiactivos como los reactores de fisión.

La esperanza es que, al existir riesgos más bajos, sea más rápido y fácil obtener aprobaciones regulatorias y permisos de construcción, acelerando el despliegue de la tecnología en cuanto empiece a funcionar.

Así es como funciona la fusión

Diferentes grupos de investigación han adoptado distintos enfoques en sus intentos de imitar la fuente de energía del Sol. Pero todos empiezan generando una enorme cantidad de calor, con temperaturas superiores a los 100 millones de °C.

Al igual que ITER y otros, Commonwealth planea construir lo que se conoce como un reactor tokamak, un dispositivo hueco en forma de dónut que se llena con un gas que incluye átomos de deuterio y tritio. El dispositivo elevaría constantemente la temperatura al poner en marcha esos imanes tan fuertes, usando corriente eléctrica para crear un calentamiento resistivo y después aplicar ondas de radio.

Cuando la temperatura sube lo suficiente, los átomos comienzan a fragmentarse a medida que los electrones se alejan de los núcleos y así crean el plasma. Los electrones y los núcleos cargados positivamente se mueven en el interior del tokamak.

Los imanes que rodean el tokamak crean una «botella magnética» que contiene plasma firme, con campos magnéticos más altos que reducen significativamente la pérdida de calor. En algún momento, dos núcleos chocarán entre sí y se mezclarán protones y neutrones formando el núcleo de un átomo de helio, liberando un neutrón y produciendo una gran cantidad de energía.

En el Sol, el calor generado por estas reacciones es autosuficiente, provocando más colisiones y más fusiones, y así sucesivamente. Pero la industria de la fusión no tiene que llegar necesariamente a ese punto, conocido como ignición, para crear centrales eléctricas rentables. Los reactores solo tienen que producir más energía de la que consumen, mientras que la cantidad exacta depende de los costes de la instalación.

La opinión general en este campo es que los grupos de investigación han resuelto difíciles problemas científicos necesarios para producir energía de fusión. La mayoría de los expertos cree que ITER podrá generar una cantidad significativa de energía neta, cuando por fin esté en marcha y funcionando a su máxima capacidad.

Pero la complejidad y el costo de construir una máquina gigante capaz de lograr estas condiciones han acabado estancando el progreso. Aunque ITER comenzó a construirse en 2007, no está previsto que esté en pleno funcionamiento hasta 2035, más de una década después del plazo previsto. Y algunos especialistas calculan que el precio terminará siendo mucho más alto de los 22.000 millones de dólares (19.516 millones de euros) estimados en la actualidad.

Commonwealth utiliza la misma ciencia de fusión básica que ITER pero con imanes diferentes.

Los imanes principales de 11,8 teslas en el interior del ITER están fabricados con materiales superconductores de niobio-titanio o niobio-estaño, que requieren temperaturas extremadamente bajas. Commonwealth aprovecha lo que se conoce como superconductores de alta temperatura, que ofrecen varias ventajas clave. Y eso podría marcar la diferencia, tanto para la economía como para la línea de tiempo.

Materiales para imanes

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que ciertos materiales, en determinadas condiciones, conducen electricidad sin resistencia, lo que permite que los electrones fluyan libremente sin liberar calor y sin perder otras formas de energía en el proceso. Eso genera altas corrientes que crean fuertes campos magnéticos alrededor de estos llamados superconductores.

Para lograr que los primeros materiales superconductores como el mercurio y el plomo pudiesen alcanzar este estado, los investigadores tuvieron que enfriarlos hasta casi llegar al cero absoluto, alrededor de los -273,15 ° C. Eso requería helio líquido, lo que limita las aplicaciones prácticas.

Pero en la década de 1980, los investigadores descubrieron un tipo de cerámica que se volvía superconductora a temperaturas mucho más altas, aunque todavía gélidas, alrededor de -173 ° C. Puede que no parezca una gran diferencia, pero es posible lograrlo con nitrógeno líquido, que es bastante más barato y fácil de manejar.

Esos superconductores de alta temperatura también pueden crear campos magnéticos mucho más poderosos, señala el director adjunto del Centro de Materiales Superconductores y Magnéticos de la Universidad Estatal de Ohio (EE UU), Michael Sumption. Los físicos empezaron a soñar con nuevas tecnologías que pensaban que estos materiales podrían ofrecer pronto, tales como trenes levitantes, resonancias magnéticas de súper alta resolución e imanes muy poderosos.

Pero los superconductores de alta temperatura eran muy difíciles de manejar. Tuvieron que pasar varias décadas para que los fabricantes descubrieran cómo crear cables largos de este material, lo que requería construir cristales muy alineados y colocarlos en capas uniformes, del grosor de un micrómetro a través de un sustrato metálico.

En 2009, Dennis Whyte del MIT se encontró con un colega que llevaba por los pasillos un montón de material parecido a cinta. Era un primer prototipo de un cable superconductor de alta temperatura, hecho de materiales de óxido de itrio, bario y cobre. Whyte reconoció de inmediato el potencial para su uso en fusión y asignó a los estudiantes graduados en uno de sus cursos la tarea de diseñar un reactor compacto que aprovechara los poderosos campos magnéticos que podía producir esa cinta.

Los esfuerzos de diseño también llegaron a clases posteriores y a más investigación en el Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT. En 2015, los investigadores involucrados diseñaron una planta de fusión compacta utilizando los nuevos materiales que podrían producir 200 megavatios de electricidad. La llamaron ARC, el nombre del reactor de fusión ficticio de Tony Stark en los cómics de Iron Man. 

En 2018, el equipo recaudó decenas de millones de euros en fondos privados y creó Commonwealth, que sigue colaborando estrechamente con el MIT.

Para entonces, el cable superconductor de alta temperatura ya estaba disponible para comercializar. Pero ese tan solo fue el punto de partida para crear el imán que la empresa necesitaba: potente, energéticamente eficiente y fiable, además de diseñarlo alrededor de un gran «hueco» o agujero en el medio con el espacio para el plasma.

El equipo tuvo que colaborar con varios fabricantes para asegurar un suministro adecuado de la cinta (cientos de kilómetros usados solo para la primera prueba magnética) y optimizarla para sus propósitos.

En ese momento, los materiales habían cumplido, pero aún los tenían que convertir en un imán gigante. El primer paso era crear capas de cinta en una pila gruesa e integrada que pudiera transportar la corriente necesaria. En una publicación anterior, los investigadores describieron una manera de cómo llevarlo a cabo, torciendo y soldando centenares de capas para crear un cable.

La compañía no quiere hablar de los detalles de cómo crearon la pila de la cinta superconductora que actualmente utiliza. Pero para convertirla en imán, el equipo enrolló esas capas para alinear y aumentar el campo magnético de la misma manera en la que se podría envolver un alambre de cobre alrededor de un clavo y conectarlo a una batería para crear un electroimán (un experimento de la escuela primaria). Commonwealth creó 16 capas de imanes, llamados creps por los investigadores, cada una con 16 vueltas de bobina. Luego apilaron esas capas y las conectaron con juntas apropiadas, creando un súper imán en forma de D de 10 toneladas y dos metros y medio de altura, con 265 kilómetros de cinta superconductora enrollada 256 veces.

La prueba

El verano del año pasado, los investigadores del MIT y de Commonwealth colocaron el imán dentro de un banco de pruebas de forma ovalada diseñado para replicar las condiciones del tokamak. A finales de agosto, comenzaron el proceso de una semana de enfriamiento del imán a temperaturas criogénicas, con una cámara de vacío a su alrededor y agregando lentamente helio a alta presión.

Cuando la temperatura bajó lo suficiente, el equipo empezó a cargar el imán.

Los científicos estaban en una sala de control adyacente monitoreando datos en las pantallas mientras los campos magnéticos se volvían cada vez más potentes. Antes del amanecer del 5 de septiembre, en esa sala se reunió la mayor parte del equipo de investigación, así como los directivos del MIT y los patrocinadores de la start-up. Cerca de las 6:00 am, el equipo finalmente elevó la fuerza del campo magnético del imán más allá de los 20 teslas, rompiendo el récord de un electroimán superconductor de alta temperatura y gran calibre.

«Cuando superó los 20 teslas, no ocurrió nada, y eso me volvió eufórico», recuerda Whyte. «No pasó nada excepto muchos vítores».

SPARC, el prototipo del reactor que Commonwealth está construyendo en Devens, tendrá 18 de esos poderosos imanes, que rodearán el tokamak y generarán un campo magnético que contendrá plasma de manera firme en su interior. Un estudio publicado en septiembre de 2020 en coautoría del equipo de la Commonwealth calculó que el prototipo del reactor podría generar hasta 11 veces más energía de la que consume.

Sorbom insiste en que la prueba del imán era el principal obstáculo de ingeniería al que se enfrentaba Commonwealth. Ahora, todo se reduce a la ejecución, según indica.

«Menos esperanzadora»

Otros laboratorios de investigación y start-ups también informan sobre su progreso en fusión. Pero a pesar de los avances científicos en curso, muchos expertos todavía dudan de la posibilidad de ver reactores comerciales en funcionamiento tan rápido como Commonwealth y otros defienden.

Ningún laboratorio ha generado todavía energía neta a partir de fusión, y mucho menos reacciones que podrían producir electricidad barata, consistente y fiable durante meses.

La fundadora del grupo Good Energy Collective, Jessica Lovering, que promueve el uso de la energía nuclear para abordar el cambio climático, no cree que la fusión sea tan inminente como algunos sugieren. «Muchas de estas empresas aseguran que harán la demonstración dentro de cinco o diez años», señala. «Creo que es más una promesa para conseguir inversiones. Es la exageración tecnológica estándar que vemos en todo tipo de tecnologías».

«La promesa de la energía barata infinita será un poco menos esperanzadora cuando se consiga».

Esta tecnología también se enfrentará a los desafíos regulatorios. La industria espera que resulte más sencillo obtener permisos y construir reactores de fusión en comparación a los de fisión cuyo proceso fácilmente podría tardar una década.

Pero la fusión no está libre de riesgos, advierte la que hasta hace poco era profesora de Ingeniería Nuclear en la Universidad de California en Berkeley (EE UU) Rachel Slaybaugh (hace poco se unió a la start-up Antora Energy, dedicada al almacenamiento de energía de larga duración).

Al igual que una central nuclear de fisión, un pequeño reactor de fusión, en las manos equivocadas, podría producir materiales radiactivos para armas. Y todavía existe la posibilidad de que se produzcan accidentes industriales graves teniendo en cuenta, por ejemplo, las extremas diferencias de presión que se producen cuando los componentes principales del reactor funcionan al vacío.

Aunque los riesgos son menores que los asociados a la fisión requerirán un escrutinio regulatorio y estándares de seguridad, destaca Slaybaugh. «Después de conseguir la fusión, se podría llegar a la conclusión: ‘Oh, todavía hay peligros de radiación y de seguridad'», advierte Slaybaugh y admite que le preocupa que «la promesa de la energía infinita y barata sea un poco menos esperanzadora cuando se consiga».

El profesor de la Universidad de California en Berkeley Edward Morse, que se dedica al diseño de reactores de fusión, considera que también existen desafíos técnicos reales por delante. Por ejemplo, Commonwealth aún tendrá que probar la resistencia de los componentes bajo un estrés mucho mayor cuando los 18 imanes funcionen juntos.

«Podría fallar por varias razones desconocidas», señala el profesor.

Morse ha sido crítico con las start-ups de fusión, considerando que algunas simplemente repiten viejas ideas que los laboratorios del Departamento de Energía estadounidenses abandonaron hace décadas por buenas razones. Pero cree que Commonwealth tiene una mejor oportunidad que la mayoría de las empresas en esta disciplina, precisamente porque no está adoptando un enfoque de la fusión radicalmente diferente.

«Mantienen el convencional enfoque tokamak pero sustituyen el imán con algo novedoso», afirma. «Eso es lo que me gusta del plan; un único gran paso cada vez, por favor».

Los gastos

En la localización de 19 hectáreas en Devens, cerca de ese pozo donde se construirá SPARC, el equipo ya ha erigido el marco de una fábrica que producirá en masa imanes para el prototipo del reactor.

Commonwealth espera generar energía neta con su máquina en los próximos tres años. Pero la fábrica está diseñada con la capacidad de producir imanes para las instalaciones de tamaño completo que se espera para principios de la década de 2030: las centrales eléctricas ARC. En esas operaciones futuras, la energía térmica generada se convertiría en electricidad a través del mismo proceso básico que ocurre en los reactores de fisión nuclear o las plantas de carbón: convertir el agua en vapor que hace girar una turbina.

A finales de noviembre del año pasado, la start-up anunció que había recaudado 1.800 millones de dólares (1.612 millones de euros) en capital de riesgo, con fondos para construir SPARC y empezar a trabajar en instalaciones comerciales. La empresa ha iniciado las primeras conversaciones con posibles clientes sobre sitios, y también con reguladores sobre lo que se requerirá para otorgar licencias y permisos a ese tipo de plantas.

«Tenemos que asumir el éxito y decidir cómo seguir adelante», afirma Whyte. «Esperar que las cosas ocurran en serie no va a funcionar».

Esa impaciencia nace del hecho de que la energía de fusión deberá estar lista pronto si se quiere que tenga un papel importante en la lucha contra el cambio climático.

El mundo tiene que acabar con la contaminación del sector eléctrico durante las próximas décadas y detener casi todas las emisiones de gases de efecto invernadero para mediados de siglo para prevenir niveles muy peligrosos de calentamiento. Cumplir esos objetivos también significará generar mucha más electricidad para satisfacer la creciente demanda de vehículos eléctricos, igual que la de los hogares, edificios y fábricas, que dependerán más de la electricidad para calefacción, refrigeración y otros fines.

Para algunos, las duras realidades de esos plazos significan que no podemos contar con una tecnología que aún no se ha demostrado, y mucho menos comercializado a escala. Pero Lovering cree que esa fuente barata, constante y abundante aún tendrá un papel crucial, incluso si la fusión no llega al mercado antes de que la electricidad se descarbonice en gran medida.

«El problema no desaparecerá en 2050», concluye Lovering, que concluye: «Seguiremos teniendo un creciente consumo de energía y aún tendremos países desarrollando rápidamente sus economías. Aunque la fusión podría tardar más tiempo, todavía sería necesaria».

Fuente original: El reactor de fusión inspirado en Tony Stark que busca ser alternativa energética / MIT Technology Review


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