Energía
Fusión Fría Reaviva Sueños De Energía Limpia Sin Plasma Caliente
¿Significa La Fusión Nuclear Solo Fusión Caliente?
La fusión nuclear es el Santo Grial de la investigación energética. Entregaría cantidades masivas de energía limpia, produciendo ningún residuo nuclear ni emisiones de carbono, mientras utiliza un combustible tan abundante que constituye la mayoría de la materia en el universo.
También es increíblemente difícil de lograr, simplemente porque la única forma que conocemos para que ocurra la fusión nuclear es replicar las condiciones dentro de las estrellas, con presiones y temperaturas incomprensibles en decenas o centenares de millones de grados.
Esto se puede lograr utilizando potentes campos magnéticos para contener y comprimir el plasma ultra-caliente. O con cientos de potentes láseres todos sincronizados para apuntar al mismo punto. Sin embargo, todos estos métodos luchan por mantener la reacción de fusión durante el tiempo suficiente para “devolver” la energía gastada en iniciar la fusión nuclear.
Fuente: IEEE
La complejidad de la tecnología de fusión nuclear y su potencial para resolver nuestro problema energético se discutió en más detalle en nuestro artículo “Fusión Nuclear – La Solución De Energía Limpia Definitiva En El Horizonte”.
Pero, ¿qué pasa si la fusión nuclear pudiera ocurrir en circunstancias diferentes, utilizando ciencia de materiales, metales raros y química en lugar de física de plasma de alta potencia?
Esta es la promesa de la “fusión fría”, un campo que durante mucho tiempo se consideró no científico y fue desacreditado por la comunidad científica. Esto fue hasta que se publicó un artículo científico en la prestigiosa revista Nature, titulado “Observación De Emisión De Neutrones Durante La Cavitación Acústica De Polvo De Titanio Deuterado”.
Historia De La Fusión Fría
En 1989, los investigadores Stanley Pons y Martin Fleischmann afirmaron haber logrado la fusión fría. Desafortunadamente, años de intentar replicar los hallazgos por parte de la comunidad científica han sido, hasta ahora, infructuosos, lo que llevó a acusaciones de mala ciencia o incluso fraude directo.
La controversia subsiguiente dañó permanentemente la imagen de este concepto. Esto también llevó a su fuerte popularidad entre aficionados, estafadores y “inventores” no serios que no estaban dispuestos a someter su “descubrimiento” a revisión por pares y escrutinio científico.
Sin embargo, todavía está siendo trabajado por un pequeño número de científicos, generalmente bajo nombres menos controvertidos como Reacciones Nucleares De Baja Energía (LENR), Ciencia Nuclear De Materia Condensada (CMNS) o Reacciones Nucleares Asistidas Químicamente (CANR).
Un renovado interés en el campo ha ocurrido en la década de 2020, a medida que las personas buscan superar el estigma de la investigación amateur. Notablemente, la agencia del gobierno de EE. UU. ARPA-E anunció en 2023 una serie de subvenciones para financiar grupos de investigación que investigan reacciones nucleares de baja energía (LENR), siguiendo resultados intrigantes logrados por investigadores de la NASA en 2020.
El equipo de la NASA llamó a su método “fusión de confinamiento de retícula”. Insistieron en que lo que hicieron no era no fusión fría, sino una forma especial de fusión caliente.
Sin embargo, causar fusión sin plasma dejó claro que la fusión nuclear puede lograrse de más maneras de las que se pensaba anteriormente, y que la fusión fría real también puede ser una posibilidad.
Los Dos Conceptos Principales Para La Fusión Fría
Fusión Impulsada Por Metales
Un método propuesto para la fusión fría, inicialmente propuesto por Pons y Fleischmann en 1989, involucraba el uso de materiales que cambian de forma para que los átomos de hidrógeno queden atrapados y obligados a fusionarse. Para ello, se han propuesto metales infusionados con hidrógeno como paladio, erbio y titanio.
El concepto general es que al absorber átomos de hidrógeno y acercarlos entre sí, la retícula metálica cambiaría de forma. Y que esto podría facilitar de alguna manera la fusión de los átomos de hidrógeno en helio.
Aunque no es completamente imposible, los físicos han sido escépticos de la idea desde el principio, ya que los niveles de energía requeridos para superar la tendencia de los núcleos de hidrógeno a repelerse son gigantescos.
Fusión De Burbujas
Otra idea es que la fusión nuclear podría ocurrir en burbujas cuando colapsan; por ejemplo, las burbujas pueden formarse en el agua cuando se someten a ultrasonidos, una idea también llamada sonofusión.
En teoría, las ondas de choque creadas por el colapso de una burbuja en un líquido podrían ser lo suficientemente poderosas como para causar fusión, no muy diferente a la forma en que las ondas de choque inducidas por láser lo hacen.
También se sabe que la cavitación puede ser una fuerza muy poderosa, por ejemplo, masticar con facilidad a través del metal de las hélices de los barcos solo con la fuerza de la burbuja colapsando.
Fuente: Britannica
Un tema contemporáneo de investigación implica la emisión de luz cuando la cavidad producida por una onda ultrasónica de alta intensidad colapsa. Este efecto, llamado sonoluminiscencia, puede crear temperaturas instantáneas más calientes que la superficie del Sol.
Si la sonoluminiscencia puede nacer de “temperaturas más calientes que la superficie del Sol”, en teoría, también puede la fusión nuclear.
La idea es tan controvertida como la “clásica” fusión fría, con su principal promotor ampliamente criticado. Pero en 2013, el debate se reavivó:
Según un nuevo informe de investigación sobre los registros del Laboratorio Nacional Oak Ridge, un hallazgo muy publicitado de 2002 que lanzó la controvertida experimentación de fusión nuclear de escritorio a la duda, se ha lanzado a la duda.
De hecho, el reportero que examinó el volcado de documentos de Oak Ridge también encontró posible evidencia vindicadora que podría haber apoyado a algunos de los investigadores en apuros, incluido el autor principal Rusi Taleyarkhan, ahora en la Universidad de Purdue.
Sin embargo, el interés renovado en 2013 no produjo muchos nuevos resultados, y la idea volvió a la pila de “sería bueno, pero no funciona” de la historia de la ciencia.
El Descubrimiento De 2024
Hasta que un solo investigador, Max Fomitchev-Zamilov, presidente de Maximus Energy Corporation, en EE. UU., publicó el artículo científico mencionado anteriormente en Nature.
La empresa se especializa en vender herramientas para experimentos de física nuclear, como detectores de neutrones, detectores de rayos gamma, espectrómetros de rayos X, procesadores de pulso digital, analizador de varios canales y software de espectroscopía.
En mayo de 2024, el Dr. Fomitchev-Zamilov afirmó haber detectado eventos de fusión potenciales con burbujas de agua pesada (hecha con deuterio en lugar de hidrógeno normal) mezclada con partículas de titanio.
Esto, en teoría, combinaría ambos enfoques teorizados para la fusión fría, con una retícula metálica de titanio y sonofusión.
Pudimos mantener la producción de neutrones durante varias horas y repetimos el experimento múltiples veces bajo varias condiciones.
Hipotetizamos que los neutrones observados se originan de la fusión nuclear de iones de deuterio disueltos en la retícula de titanio debido a la acción mecánica de los chorros de cavitación que impactan.
Mirando La Fusión Fría De Retícula
Los resultados del experimento son muy interesantes. No solo fue el recuento de neutrones pico “10,000x en exceso de fondo, sino que también solo ocurrió cuando las ondas acústicas secundarias interfirieron constructivamente resultando en picos de presión agudos del orden de unos pocos miles de psi“.
La producción de neutrones también se pudo mantener durante varias horas.
Es digno de notar que el montaje experimental es notablemente compacto y utiliza componentes relativamente “ordinarios” de detectores y herramientas de física nuclear, lo que lo hace algo fácil de replicar y probar para otros investigadores.
Fuente: Nature
Para ese asunto, la voluntad del Dr. Fomitchev-Zamilov de compartir sus datos y montaje experimental es un movimiento refrescante en un campo a menudo dominado por “recetas secretas”.
Un Progreso Lento
Quizás más valioso es el múltiple reconocimiento en el artículo publicado de lo que no funcionó, algo que los entusiastas de la fusión fría rara vez están dispuestos a hacer.
La cavitación de burbujas de deuterio en aceite mineral no funcionó, sin importar los cambios realizados en el tamaño de las burbujas, amplitud de presión, frecuencia o surfactantes agregados. Las gotas de deuterio tampoco funcionaron.
Estos “fracasos” son importantes, ya que muestran que la detección de neutrones es solo un error o un artefacto de medición del montaje experimental. Sin embargo, tan pronto como agregaron partículas de titanio deuterado con agua pesada (agua pesada), detectaron un flujo de neutrones.
Más interesante es que el pico de neutrones ocurrió regularmente, en sincronía con las ondas acústicas.
Fuente: Nature
De manera similar, el pico de neutrones, diferente del ruido de fondo y otros señales, es claramente visible cuando se mira la muestra durante 5 horas, y luego se inician las ondas acústicas.
Fuente: Nature
Estos resultados se lograron consistentemente una y otra vez, y se analizaron más a fondo a lo largo de 6 meses, reduciendo aún más la posibilidad de un golpe o un caso extraño que no se pueda replicar.
No Es Una Prueba Definitiva Todavía
El artículo publicado reconoce que la fusión fría no es la única explicación para justificar el flujo de neutrones.
Lo que se demostró, y hace un descubrimiento innovador, es que con partículas de titanio deuterado + agua pesada + ondas sonoras/cavitación, se emiten neutrones.
Por ejemplo, las condiciones del experimento podrían crear un fenómeno llamado spallation. Esto es donde una entrada de alta energía (como de partículas de alta energía) rompe un núcleo en sus componentes, lo que podría teóricamente causar que se detecten neutrones.
Fuente: Springer
Así que se requieren análisis adicionales de las reacciones.
Mejorando El Diseño
Por supuesto, otro comentario que debemos hacer es que estos resultados ahora necesitan ser replicados por otros investigadores para ser completamente confiables.
Se necesita recopilar más datos de experimentos para entender cómo optimizar la producción de neutrones y la posible reacción de fusión.
Materiales
Sabemos por esta publicación que el polvo de titanio/deuterio en aceite fue estable contra la decadencia y la separación durante al menos 6 meses.
Pero antes de cualquier discusión sobre el uso práctico de este progreso potencial de fusión fría, necesitaremos saber qué se consume en el proceso.
Mecanismos De La Fusión Fría De Retícula
La hipótesis de trabajo es que los chorros de cavitación son la causa de los picos de neutrones observados y la fusión nuclear asumida.
Estos chorros podrían “actuar como pistones compactando iones de deuterio almacenados en la retícula de titanio. En este caso, el material de los chorros no es importante y las gotas de H2O deberían ser tan efectivas como las gotas de D2O”.
O tal vez “los chorros deben contener iones de deuterio y el mecanismo de acción es el de un haz de iones que impacta un objetivo deuterado“.
Aclarar entre las 2 hipótesis probablemente será el próximo paso para el Dr. Fomitchev-Zamilov.
Ecos De Los Trabajos De La NASA
Debemos notar que el método de “fusión no fría, no plasma” descubierto por científicos de la NASA en 2020 utilizó electrones poderosos para desencadenar una secuencia de colisiones de partículas, lo que en última instancia aceleró lo suficiente para que un átomo de deuterio desencadenara la fusión.
Para superar esa barrera se requiere una secuencia de colisiones de partículas. Primero, un acelerador de electrones acelera y golpea electrones en un objetivo cercano hecho de tungsteno. La colisión entre el haz y el objetivo crea fotones de alta energía, al igual que en una máquina de rayos X convencional.
Los fotones se enfocan y se dirigen hacia la muestra de erbio o titanio cargada de deuterio. Cuando un fotón golpea un deuterio dentro del metal, lo divide en un protón energético y un neutrón. Luego, el neutrón colisiona con otro deuterio, acelerándolo.
¿Podría la cavitación, ya conocida por ser capaz de crear temperaturas instantáneas más calientes que la superficie del Sol a nivel atómico, replicar el mismo proceso pero sin un acelerador de partículas?
¿Se Resolvió La Energía Limpia?
Si este descubrimiento se confirma y se perfecciona, ¿significa que resolvimos la fusión nuclear? ¿Y que la energía limpia y abundante es solo cuestión de tiempo? Quizás, pero un dato crucial todavía falta: aunque sabemos que se emiten neutrones, no sabemos cuánta energía emite el sistema.
Así que el problema que ha obstaculizado la fusión caliente hasta ahora, producir más energía de la que se consume, podría ser un problema para la fusión fría también.
Un punto alentador es que el Dr. Fomitchev-Zamilov está trabajando en un banco de laboratorio, lejos de las instalaciones como la Instalación Nacional De Ignición De EE. UU. (NIF) que entrega 500 billones de vatios de potencia pico en un punto a través de 192 láseres poderosos.
Así que, aunque la salida de energía puede ser modesta, podemos inferir que la entrada también lo fue.
Invertir En La Fusión Nuclear
Como una idea científica que apenas emerge de una mala reputación que fue prácticamente un asesino de carreras para cualquier físico que trabajara en ella, la fusión fría es muy inaccesible para los inversores hoy en día.
El agua pesada es un mercado muy pequeño, con solo $161M negociados a nivel mundial (y un poco más producido localmente), y Canadá es el mayor exportador. Un proveedor privado es el gigante de equipos de laboratorio y consumibles Sigma-Aldrich, parte de Merck KGaA (MRK.DE).
Actualmente, ninguna de las empresas dedicadas a hacer que la fusión nuclear sea comercialmente viable es pública. Esto incluye Helion, Fusión General, Fusión Común, Tecnologías TAE, ZAP Energy y NEO Fusión.
Puede encontrar una lista extensa de startups en el espacio de fusión nuclear en la página dedicada de Dealroom.
Una notable excepción a las startups privadas que dominan el campo es la empresa pública Lockheed Martin Corporation, un gigante de la industria de la defensa.
1. Lockheed Martin Corporation
(LMT )
Desde principios de la década de 2010, Lockheed trabajó en Fusión Compacta, un reactor de fusión nuclear que esperaba ver listo para la década de 2020. Sin embargo, se anunció que el trabajo en el proyecto se detuvo en 2021.
La empresa ha sido muy discreta sobre este proyecto después de un anuncio inicial muy entusiasta. Hasta hoy, no está claro qué podría haber llevado a la empresa a abandonar la idea.
Al mismo tiempo, parece que no abandonó completamente el concepto, notablemente con inversiones en 2024 en Helicity, una startup que desarrolla un motor de fusión.
La idea sería propulsar naves espaciales con explosiones cortas de fusión. Helicity planea utilizar un cañón de plasma, el mismo enfoque que tomó Fusión General.
Potencialmente, los propios resultados internos de Lockheed podrían haber mostrado que su diseño no podía mantener la fusión de una manera compatible con la producción de energía.
Pero quizás, al mismo tiempo, las explosiones cortas sean suficientes para las necesidades de propulsión en el espacio y mucho más cerca de convertirse en un producto real. También sería una mejor opción con el perfil general de la empresa de aerospacio y defensa.
2. Fusión General
Fusión General es una de las startups que lideran la carga para hacer que la fusión sea una empresa del sector privado, en lugar de un proyecto de física públicamente financiado.
La empresa se inició hace tanto tiempo como en 2002 para desarrollar la tecnología de Fusión De Blasto Magnetizado (MTF).
MTF se espera que sea un camino más corto hacia la fusión con energía positiva y ser mucho menos costoso. Fusión General fue la primera en el mundo en construir y encargar un inyector de plasma de toroide magnetizado a escala de planta de energía en 2010 y ha alcanzado muchas más hitos desde entonces.
Fuente: General Fusion
La empresa tiene como objetivo alcanzar la fusión con 100 millones de grados Celsius de temperatura en 2025 y progresar hacia la breakeven de energía (retorno positivo de la fusión nuclear) en 2026. Antes de eso, un modelo a escala 1/5 se hizo en 2023, y su rendimiento coincidió con las expectativas de los modelos informáticos.
En general, Fusión General ha pasado 2 décadas construyendo paso a paso cada una de las tecnologías centrales de su diseño final, probándolas en el camino y validando con éxito la idea, al menos hasta ahora.
Fuente: Fusión General
Como empresa privada, no tuvo que discutir y negociar ningún cambio de diseño, contrario a los proyectos internacionales como ITER. Podría elegir la tecnología por su propio mérito, sin tener que decidir si un país determinado debería obtener el contrato independientemente de las razones políticas.
Esto es por qué muchos esperan que Fusión General y algunas de sus competidoras logren lo que los grandes proyectos gubernamentales podrían no hacer.
3. TAE Technologies
Anteriormente conocida como Tri Alpha Energy, la empresa con sede en California se centra en desarrollar tecnología de energía de fusión. TAE Technologies actualmente está mejorando su plataforma de fusión, Norman, a una máquina de sexta generación llamada Copernicus.
Fuente: TAE
La tecnología de TAE se basa en aceleradores de partículas para inyectar energía en el plasma y “actuar como un agente espesante que lo hace más manejable”.
La empresa también utiliza extensivamente la impresión 3D en la fabricación de Copernicus, lo que permite iteraciones rápidas de nuevas piezas y resolución de problemas más rápida. Por ejemplo, lograron imprimir algunos componentes del reactor para la mitad del peso de lo que la fabricación convencional habría logrado.
Fuente: TAE
Si todo va bien, la empresa espera construir su primera planta de energía de prototipo que podría conectarse a la red en la década de 2030, que se escalaría para desarrollar “robusta y confiable” energía comercial a lo largo de la década.
La fusión, según su CEO Michel Binderbauer, nos llevaría a un “paradigma de abundancia”.
Durante los últimos 25 años, la empresa ha operado en un modelo de “dinero por hito”, donde cada ronda de financiación se gana solo cuando se entregan los hitos prometidos a los inversores.
En 2022, Google y Chevron invirtieron en TAE Technologies como parte de la recaudación de fondos de $250 millones de la empresa. Google ha estado asociada con TAE durante una década y proporciona a la empresa potencia de cómputo y IA.
La empresa también ofrece servicios de ciencias de la vida (Terapia De Captura De Neutrones De Borón -BNCT) y soluciones de energía como baterías y movilidad eléctrica.
4. Helion
Helion apunta a crear fusión con deuterio y helio-3, en lugar del enfoque más común de centrarse en la fusión con tritio.
Normalmente, el helio-3 es muy difícil de encontrar. Pero Helion tiene un método para producirlo a partir de deuterio en su propio reactor. De lo contrario, alternativas no probadas como la minería en la Luna probablemente habrían sido necesarias.
Al igual que la mayoría de las empresas privadas de fusión, Helion utiliza tecnología de inyección de plasma.
Otra característica única de Helion es apuntar a la captura directa de electricidad del plasma, utilizando la Ley de Faraday para inducir una corriente, saltando directamente el ciclo de calentamiento de vapor común en las centrales nucleares.
Este movimiento es bastante audaz, pero también podría aumentar el rendimiento de las centrales de energía futuras en 2-3 veces, ya que la conversión de calor a vapor es generalmente de muy baja eficiencia. También es un procedimiento muy intensivo en capital.
La planta de energía de fusión de Helion se proyecta que tendrá un costo de combustible negligible, un costo de operación bajo, un tiempo de actividad alto y un costo de capital competitivo. Nuestras máquinas requieren una cantidad mucho menor de equipo de capital porque podemos hacer la fusión de manera tan eficiente y no necesitamos turbinas de vapor grandes, torres de enfriamiento o otros requisitos costosos de los enfoques de fusión tradicionales.
Helion actualmente opera Trenta, su reactor de sexta generación que ha logrado 10,000+ pulsos y temperaturas de 100 millones de grados Celsius.
Fuente: Helion
Actualmente se está moviendo hacia Polaris, su próximo modelo que se espera tenga pulsos magnéticos 100 veces más rápidos que Trenta, lo que lo convertiría en la primera fusión nuclear en producir una ganancia neta de electricidad.
Es digno de notar que Polaris sería de 19 metros de largo, lejos de una instalación gigante en comparación con otros diseños de reactores de fusión más clásicos.
