Directamente desde el Sol a su hogar: Wendelstein X-7 y Energía Termonuclear

El Sol, nuestro Astro Rey, ocupa sin duda un lugar trascendental en nuestra historia. A través de la energía que irradia permite la vida en la Tierra por medio de la fotosíntesis. Sin embargo, ¿de dónde proviene esta energía?

Ésta es una pregunta fundamental, debido a que conocer el proceso exacto mediante el cual el Sol produce energía permitiría estimar su edad (calculando cuánto tiempo puede permanecer encendido). Así, las ideas de que el Sol fuera una bola de gasolina o un tronco gigante ardiendo no eran muy factibles, ya que significarían que el Sol a lo más podría durar ardiendo por un par de millones de años (y sabemos que la edad de la Tierra es de unos miles de millones de años). ¿Cómo podría el Sol brillar tanto y por tanto tiempo entonces? La respuesta a cómo algo tan grande emite energía se encuentra, curiosamente, en los elementos más pequeños que la componen: los núcleos atómicos.

Del Hidrógeno al Helio

Gracias a la astrónoma Cecilia Payne-Gaposchkin, hoy sabemos que el Sol está compuesto principalmente por hidrógeno, el elemento atómico más simple del Universo (formado solamente por un protón y un electrón). En la parte más interna del Sol, el núcleo, el hidrógeno se encuentra a una gran presión debido a que debe soportar el peso de toda la estrella, y también a una altísima temperatura de cerca de quince millones de grados Celsius (sí, quince millones dije). A semejante temperatura, los electrones ya no se mantienen unidos a los protones: se separan y dejan a los protones abandonados. Tenemos entonces simplemente una sopa gigante de protones individuales o, como nos gusta decir a los astrofísicos, un plasma de hidrógeno ionizado.

Nos podemos imaginar el núcleo del Sol como un montón de polcas (canicas) dentro de un globo gigante. Imaginemos a este globo siendo agitado por alguien, de modo que las polcas en su interior salten hacia todos lados. Naturalmente, mientras más fuerte agitemos el globo mayor será el número de veces que las polcas chocarán entre sí. En esta analogía, podemos considerar esta “fuerza” para agitar el globo como la temperatura que tendrá el sistema. La temperatura está relacionada con la energía cinética que poseen las partículas (átomos o moléculas) en un determinado sistema. Así, cuando sentimos el agua “caliente” es porque las moléculas de H2O se mueven con mucha energía cinética. Podríamos pensar que algo parecido pasará con los protones al interior del Sol, pero hay un pequeño detalle: la repulsión eléctrica. Dado que ya no hay electrones para neutralizar a los átomos de hidrógeno, nuestros núcleos atómicos son sólo protones, todos con carga positiva. Entonces, al intentar dos protones acercarse entre sí para chocar como dos polcas, la fuerza eléctrica de ambos evitará esta aproximación y hará que se repelan (cargas iguales se repelen, cargas distintas se atraen). Como consecuencia, los protones nunca chocarían.

Es aquí donde llega, una vez más, la Mecánica Cuántica a salvarnos. Sucede que, si consideramos temperaturas más altas que cierto límite, es posible que los protones sí choquen. De acuerdo a la Mecánica Clásica se necesitaría una energía (temperatura) infinita para hacer que dos protones choquen, pero gracias a un efecto cuántico llamado Efecto Túnel, este infinito se transforma en un valor simplemente alto pero alcanzable. En términos simples, el Efecto Túnel nos dice que gracias a la dualidad onda-partícula de la materia hay probabilidades de que una partícula atraviese una barrera (en este caso, la barrera sería la fuerza de repulsión electromagnética) tal como si atravesara un túnel. De esta forma, es posible que dos protones choquen… y se fusionen (así como Gokú y Vegeta en Dragon Ball). La Fusión Nuclear es la formación de núcleos atómicos más pesados a partir de la unión de otros más ligeros. Bajo este proceso nacieron los diversos elementos químicos del Universo, al menos hasta el fierro. En el caso particular del Sol, la fusión nuclear transforma hidrógeno en helio a partir de un proceso llamado Protón-Protón (pp), del cual nace un núcleo de helio (2 protones y 2 neutrones) a partir de la fusión de cuatro protones. Para ver la secuencia completa, pulse aquí.

Pero la fusión no sólo permite la creación de elementos más pesados. Se observó que la masa de un átomo de helio es ligeramente menor que la masa de los cuatro protones por separado. ¿Y la diferencia? Acá viene la parte emocionante: ¡se transformó en energía a partir de la famosa ecuación de Einstein E=mc^2! Así que la fusión nuclear es también un proceso para producir energía. Sin embargo, ¿será posible usar esta energía para nuestro quehacer diario?

Más despacio, cerebrito…

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La fusión nuclear es hermana de la fisión nuclear. En esta última, el núcleo atómico genera energía al separarse, porque la suma de las masas de los núcleos finales es menor a la masa del núcleo inicial. Por ende, se puede generar energía aquí “bombardeando” átomos grandes como el uranio, de modo de desestabilizarlo y hacer que se divida. Éste este proceso funcionan las centrales de energía nuclear… y también bajo este proceso funcionaban las bombas atómicas arrojadas sobre Hiroshima y Nagasaki.

La energía nuclear, generada a partir de los procesos nucleares, tiene la enorme ventaja de generar mucha energía con poco combustible (gracias a la ecuación de Einstein). Y hablamos de energía limpia que no genera gases de efecto invernadero. Lamentablemente, el principal problema de la fisión nuclear son sus residuos. Los elementos resultantes de la reacción nuclear son altamente radioactivos, es decir, emiten partículas que pueden provocar daños al organismo, mutaciones e incluso la muerte (de cualquier forma, aunque usted no lo crea, dichos residuos son muchísimo menos peligrosos que los producidos por una central termoeléctrica como las que existen en Chile). Por tal razón es que una central nuclear debe contar con medidas extremas de seguridad… aunque a veces pueden fallar (Chernóbil, Fukushima).

Por su parte, la fusión nuclear no presenta este problema, ya que ni el hidrógeno ni el helio son radioactivos. PERO (siempre hay un pero) el problema que presenta es el mismo que describimos previamente: la temperatura. A quince millones de grados, las reacciones nucleares de fusión (llamadas también termonucleares por su dependencia de la temperatura) en el Sol ocurren fácilmente debido a la enorme presión ejercida por toda la estrella sobre el centro. A la presión de la Tierra, quince millones de grados son insuficientes para producir fusión: necesitamos temperaturas todavía más altas. Por ahora, sólo se han alcanzado tales temperaturas por escaso tiempo, el suficiente para hacer estallar la poderosa bomba-H.

Entonces, el principal desafío que tenemos para hacer viable centrales de energía termonuclear es, poder almacenar el hidrógeno a altísimas temperaturas para que pueda general helio y energía. Un problema complejo, pero que ya presenta avances esperanzadores.

Wendelstein X-7

La Sociedad Max Planck, llamada así en honor al Padre de la Mecánica Cuántica, es una red de instituciones de investigación distribuidas a lo largo de toda Alemania. Es una de las instituciones científicas más importantes y reconocidas en el mundo: desde su fundación en 1948, 18 científicos ligados al Max Planck han recibido el Premio Nobel.

Dentro de esta inmensa red, destacaremos el Instituto Max Planck (MPI) para Física de Plasmas, ubicado en la nortina ciudad alemana de Greifswald a orillas del Mar Báltico. Aquí se trabaja tratando de traer la semilla de la energía del Sol a la Tierra: la fusión termonuclear. El proyecto se llama Wendelstein X-7, y está basado en un modelo Stellarator para confinamiento magnético. ¿Suena muy extraño? Vamos por partes: un plasma es un gas ionizado, es decir, está formado por átomos que no tienen los electrones suficientes para neutralizar a los protones del núcleo. En el caso del hidrógeno, un ion es netamente el protón del núcleo sin el electrón que gire en torno a él; por ende, un plasma de hidrógeno es simplemente un “gas” de protones. La ausencia de electrones es esencial: este gas está cargado positivamente y, al estar moviéndose, puede fácilmente manipularse usando campos magnéticos. Esto es importante, porque necesitamos tener este plasma encerrado dado que se encuentra a temperaturas de millones de grados. Así, con ayuda del magnetismo le podemos crear una “jaula” al plasma para que no se escape.

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Diseño stellarator para confinar un plasma. Las bobinas son de color azul, mientras que el plasma de observa de color amarillo.

Para esto, no nos sirven los imanes que pegamos en el refrigerador. La mejor idea es utilizar un conjunto de anillos (bobinas) y encerrar el plasma dentro de estos anillos formando una rosquilla. Por estas bobinas pasará una corriente eléctrica que producirá un campo magnético al interior el cual, gracias a la Fuerza de Lorentz, mantendrá en movimiento el plasma al interior. Las bobinas usadas para generar el campo magnético no son circulares sino que tienen diferentes formas (tal como se ve en el dibujo) con tal de evitar que el plasma choque contra las bobinas o se escape. A este tipo de diseño se le llama stellarator, y presenta una enorme ventaja de eficacia frente a diseños anteriores, aunque por su forma es mucho más difícil de producir.

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Plasma de hidrógeno visto al interior del Westerlund X-7. Foto cortesía del Max Planck IPP.

De este tipo experimental de reactor, Wendelstein X-7 (llamado así en honor a una montaña del mismo nombre en el sur de Alemania) es el más grande y el más potente, entendiéndose por potencia ser capaz de calentar el plasma a altísimas temperaturas y por mucho tiempo. La primera prueba (usando helio) logró calentar los electrones hasta 10 millones de grados por 50 milisegundos. La primera prueba usando un plasma de hidrógeno se hizo el 3 de febrero de este año y contó con la Canciller Angela Merkel iniciando la “ceremonia de encendido”, un evento que contó con cerca de 400 invitados. A partir de ahí se siguieron haciendo muchas pruebas, logrando al final mantener el plasma de hidrógeno encerrado por 6 segundos a 20 millones de grados. Si bien esto es por ahora insuficiente para producir energía termonuclear, estas pruebas superaron ampliamente las expectativas de esta etapa. Ahora, Wendelstein X-7 estará sujeto a modificaciones para la nueva ronda de pruebas a partir del 2017.

¿Por qué es interesante esto? Si bien este reactor es netamente experimental con la finalidad de evaluar qué tal resultan las fusiones nucleares usando el modelo stellarator, puede ser la piedra angular para desarrollar reactores a futuro que utilicen hidrógeno como combustible. Esto significaría una revolución sin precedentes en nuestra historia, dado que esta nueva energía sería prácticamente infinita. Hidrógeno hay de sobra, y no necesitamos mucho para nuestros requerimientos energéticos. A modo de ejemplo, el 2013 en Chile gastamos en total 66.866 GWh de energía eléctrica. Toda esa energía la podríamos obtener simplemente usando en hidrógeno contenido en apenas 3,5 metros cúbicos de agua. Es decir, ¡una piscina llena de agua sería capaz de producir toda la energía eléctrica que necesitamos para abastecer a todo Chile en un año! Y para esto nos sirve cualquier fuente de agua (porque lo importante es el hidrógeno), podemos incluso usar nuestra agua sucia de desecho. Adiós hidroeléctricas, adiós termoeléctricas, tendríamos una fuente prácticamente ilimitada de energía sin ninguno de los problemas colaterales asociados.

Quizás eso último que escribí suene demasiado fantástico e irrealizable. Y por el momento, no estamos ni cerca de lograr traer la energía del Sol hasta nuestro quehacer diario, pese a los avances del Wendelstein. Sin embargo, es vital hacernos estos planteamientos, porque si no nos proyectamos como sociedad a largo plazo estaremos condenados a sólo darles soluciones parche a todos nuestros problemas. Una sociedad que sólo se preocupa del aquí y ahora está condenada al fracaso, porque se verá imposibilitada de resolver problemas más grandes. Ése es uno de los principales aportes de la Ciencia a la Humanidad: la capacidad de generar calidad de vida a largo plazo, incluso cuando éste no haya sido el objetivo final de una investigación. Toda la tecnología que usamos hoy en día tuvo sus inicios hace más de cien años, cuando se estudiaban fenómenos como la electricidad, el magnetismo o el comportamiento de núcleos atómicos sin pensar en si a futuro tendría una “utilidad práctica”. Por todo esto, proyectos visionarios como el Wendelstein son valiosos para todos nosotros.

El llamado es, entonces, a ser optimistas. Hasta ahora, el Wendelstein X-7 ha cumplido las expectativas puestas sobre él, lo cual es una fantástica noticia. Así que por ahora debemos seguir atentos a las noticias, y quién sabe si más pronto de lo que pensamos seremos capaces de traer definitivamente el corazón del Sol hacia la Tierra.

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