La fusión fría reaviva los sueños de energía limpia sin plasma caliente

¿Significa la fusión nuclear solo fusión caliente?

Nuclear fusion is the Holy Grail of energy research. It would deliver massive amounts of clean energy, producing no nuclear waste or carbon emissions, while using a fuel so abundant that it makes up the majority of matter in the universe.

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 inimaginables de decenas o cientos de millones de grados.

Esto puede lograrse usando campos magnéticos poderosos para contener y comprimir el plasma ultra‑caliente. O con cientos de láseres potentes sincronizados para apuntar al mismo punto. Sin embargo, todos estos métodos luchan por mantener la reacción de fusión el tiempo suficiente para “recuperar” 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 con mayor detalle en nuestro artículo “Fusión nuclear: la solución definitiva de energía limpia en el horizonte”.

Pero, ¿y si la fusión nuclear pudiera ocurrir en circunstancias diferentes, usando ciencia de materiales, metales raros y química en lugar de la física de plasma de alta potencia?

Esto es lo que promete la “fusión fría”, un campo que durante mucho tiempo se consideró no científico y fue ridiculizado por la comunidad científica. Eso cambió cuando 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 fusión fría. Desafortunadamente, años de intentos de replicar los hallazgos por parte de la comunidad científica han sido, hasta ahora, infructuosos, lo que ha llevado a acusaciones de ciencia de baja calidad o incluso fraude descarado.

La controversia que siguió dañó permanentemente la imagen de este concepto. También provocó su gran popularidad entre aficionados, estafadores e “inventores” poco serios que no estaban dispuestos a someter su “descubrimiento” a revisión por pares y escrutinio científico.

Aun así, sigue siendo investigado 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 surgido en la década de 2020, a medida que la gente busca superar el estigma de la investigación amateur. Notablemente, la agencia gubernamental de EE. UU. ARPA‑E anunció en 2023 una serie de subvenciones para financiar grupos de investigación que estudian reacciones nucleares de baja energía (LENR), tras resultados intrigantes obtenidos por investigadores de la NASA en 2020.

El equipo de la NASA llamó a su método “fusión por confinamiento de red”. Insistieron en que lo que hicieron no era fusión fría sino una forma especial de fusión caliente.

Aún así, lograr fusión sin plasma dejó claro que la fusión nuclear puede alcanzarse de más maneras de las que se pensaba, y la verdadera fusión fría podría seguir siendo una posibilidad.

Los dos conceptos principales de la fusión fría

Fusión impulsada por metales

Un método propuesto para la fusión fría, inicialmente sugerido por Pons y Fleischmann en 1989, involucraba usar materiales que cambian de forma de modo que los átomos de hidrógeno queden atrapados y forzados a fusionarse. Para ello, se propusieron metales impregnados de hidrógeno como paladio, erbio y titanio.

El concepto general es que, al absorber átomos de hidrógeno y acercarlos entre sí, la red metálica cambiaría de forma. Y que eso podría de alguna manera facilitar la fusión de átomos de hidrógeno en helio.

Aunque no es completamente imposible, los físicos han sido escépticos 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 agua bajo ultrasonidos, una idea también conocida a veces como sonofusión.

En teoría, las ondas de choque creadas por el colapso de una burbuja en un líquido podrían ser lo suficientemente poderosas como para provocar fusión, no muy diferente a la forma en que lo hacen las ondas de choque inducidas por láser.

También se sabe que la cavitación puede ser una fuerza muy poderosa, por ejemplo, masticar con facilidad el metal de hélices de barcos solo con la fuerza del colapso de burbujas.

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 podría hacerlo la fusión nuclear.

La idea es tan controvertida como la fusión fría “clásica” de red, 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 puso en duda el controvertido experimento de fusión nuclear de mesa ha sido a su vez puesto en duda.

De hecho, el reportero que examinó el volcado de documentos de Oak Ridge también encontró posibles evidencias que podrían vindicar a algunos de los investigadores implicados —incluido el autor principal Rusi Taleyarkhan, ahora en la Universidad de Purdue.

Spectrum IEEE

Aun así, el renovado interés en 2013 no produjo muchos resultados nuevos, y la idea volvió a la pila “sería bueno pero no funciona” de la historia de la ciencia.

El descubrimiento de 2024

Esto continuó hasta que un único investigador, Max Fomitchev‑Zamilov, presidente de Maximus Energy Corporation, en EE. UU., publicó el artículo científico mencionado 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 pulsos digitales, analizadores multicanal y software de espectroscopía.

En mayo de 2024, el Dr. Fomitchev‑Zamilov afirmó haber detectado posibles eventos de fusión con burbujas de agua pesada (fabricada con deuterio en lugar de hidrógeno normal) mezcladas con partículas de titanio.

En teoría, esto combinaría ambos enfoques teorizados para la fusión fría, con una red metálica de titanio y sonofusión.

Pudimos mantener la producción de neutrones durante varias horas y repetimos el experimento múltiples veces bajo diversas condiciones.

Hipotetizamos que los neutrones observados provienen de la fusión nuclear de iones de deuterio disueltos en la red de titanio debido a la acción mecánica de los chorros de cavitación que impactan.

Observando la fusión sonofusión de red

Los resultados del experimento son muy interesantes. No solo el recuento pico de neutrones “10 000x por encima del fondo, sino que también solo ocurrió cuando ondas acústicas secundarias interferían constructivamente resultando en picos de presión masivos y agudos del orden de varios miles de psi“.

La producción de neutrones también pudo mantenerse durante varias horas.

Vale la pena notar que el montaje experimental es notablemente compacto y utiliza componentes “ordinarios” de detectores y herramientas de física nuclear, lo que lo hace relativamente fácil de replicar y probar por otros investigadores.

Fuente: Nature

En ese sentido, la disposición del Dr. Fomitchev‑Zamilov de compartir sus datos brutos y su configuración experimental es un movimiento refrescante en un campo a menudo dominado por “recetas secretas”.

Un progreso lento

Quizá más valioso es la admisión múltiple 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 en el tamaño de las burbujas, la amplitud de presión, la frecuencia o los surfactantes añadidos. Las gotas de deuterio tampoco funcionaron.

Estos “fracasos” son importantes, ya que demuestran que la detección de neutrones podría ser simplemente un error o un artefacto de medición del montaje experimental. Sin embargo, en cuanto añadieron partículas de titanio deuterado con agua deuterada (agua pesada), detectaron un flujo de neutrones.

Más interesante aún, el pico de neutrones ocurrió de forma regular, sincronizado con las ondas acústicas.

Fuente: Nature

De manera similar, el pico de neutrones, distinto del ruido de fondo y de otras señales, es claramente visible al observar la muestra durante 5 horas y luego iniciar las ondas acústicas.

Fuente: Nature

Estos resultados se lograron de forma consistente una y otra vez, y fueron analizados durante 6 meses, reduciendo aún más la probabilidad de que se trate de una casualidad o de un caso aislado que no pueda replicarse.

Aún no es una prueba definitiva

El artículo publicado reconoce que la fusión fría aún no es la única explicación para justificar el flujo de neutrones.

Lo que se demostró, y constituye un descubrimiento revolucionario, es que con partículas de titanio deuterado + agua deuterada + ondas sonoras/cavitación, se emiten neutrones.

Por ejemplo, las condiciones del experimento podrían crear un fenómeno llamado espallación. Esto ocurre cuando una entrada de alta energía (como la de partículas de alta energía) rompe un núcleo en sus componentes, lo que teóricamente podría causar la detección de neutrones.

Fuente: Springer

Por lo tanto, se requieren análisis adicionales de las reacciones, aparentemente necesitando estudios espectroscópicos complementarios.

Mejorando el diseño

Por supuesto, otro comentario que debemos hacer es que estos resultados ahora necesitan ser replicados por otros investigadores para ser plenamente 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 se mantuvo estable contra descomposición y separación durante al menos 6 meses.

Pero antes de cualquier discusión sobre el uso práctico de tal progreso potencial en fusión fría, necesitaremos saber qué se consume en el proceso.

Mecanismos de la fusión sonofusión de red

La hipótesis de trabajo es que los chorros de cavitación son la causa de los picos de neutrones observados y de la supuesta fusión nuclear.

Estos chorros podrían “actuar como pistones que compactan iones de deuterio almacenados en la red de titanio. En ese caso, el material de los chorros no es tan 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 “no‑frío no‑plasma” descubierto por científicos de la NASA en 2020 utilizó electrones potentes para desencadenar una secuencia de colisiones de partículas, acelerándolas lo suficiente como para que un átomo de deuterio desencadene fusión.

Superar esa barrera requiere una secuencia de colisiones de partículas. Primero, un acelerador de electrones acelera y golpea electrones contra un objetivo cercano 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 dirigen al muestra cargada de deuterio de erbio o titanio. Cuando un fotón impacta un deuterón dentro del metal, lo divide en un protón y un neutrón energéticos. Luego el neutrón colisiona con otro deuterón, acelerándolo.

¿Podría la cavitación, ya conocida por crear temperaturas instantáneas más calientes que la superficie del Sol a nivel atómico, replicar el mismo proceso pero sin un acelerador de partículas?

¿Energía limpia resuelta?

Si este descubrimiento se confirma y perfecciona, ¿significa que hemos resuelto la fusión nuclear? ¿Y que la energía limpia y abundante es solo cuestión de tiempo? Tal vez, pero aún falta un dato crucial: aunque sabemos que se emiten neutrones, no sabemos cuánta energía está emitiendo el sistema.

Así, el problema que ha obstaculizado la fusión caliente hasta ahora —producir más energía de la que consume— podría ser también un problema para la fusión fría.

Un punto alentador es que el Dr. Fomitchev‑Zamilov está trabajando en un banco de laboratorio, lejos de instalaciones como el Facility Nacional de Ignición de EE. UU. (NIF), que entrega 500 billones de vatios de potencia pico en un solo punto mediante 192 láseres potentes.

Así que, aunque la salida de energía pueda ser modesta, podemos inferir que la entrada también lo fue.

Invertir en fusión nuclear

Como idea científica que surge de una mala reputación que prácticamente mató la carrera de cualquier físico que se atreviera a trabajar en ella, la fusión fría hoy en día no es accesible para los inversores.

El agua pesada es un mercado muy pequeño, con solo 161 millones de dólares negociados a nivel global (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 ) (MRK.DE).

Actualmente, ninguna de las compañías dedicadas a hacer comercialmente viable la fusión nuclear caliente está cotizada públicamente. Esto incluye Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy y NEO Fusion.

Puedes encontrar una lista extensa de startups en el espacio de fusión nuclear en la página dedicada de Dealroom.

Una excepción notable a la dominancia de startups privadas es la empresa cotizada Lockheed Martin Corporation (LMT ), un gigante de la industria de defensa.

1. Lockheed Martin Corporation

Desde principios de la década de 2010, Lockheed trabajó en Compact Fusion, 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 compañía ha sido muy discreta sobre este proyecto después de un anuncio inicial muy entusiasta. Hasta la fecha, no está claro qué pudo haber impulsado 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 ráfagas cortas de fusión. Helicity planea usar un cañón de plasma, el mismo enfoque que utiliza General Fusion.

Potencialmente, los propios resultados internos de Lockheed han mostrado que su diseño no pudo sostener fusión de manera compatible con la producción de energía.

Pero quizá, al mismo tiempo, las ráfagas cortas sean suficientes para la necesidad de propulsión en el espacio y estén mucho más cerca de convertirse en un producto real. También encajarían mejor con el perfil general de la empresa, centrado en aeroespacial y defensa.

2. General Fusion

General is one of the startups leading the charge in making fusion a private sector venture, instead of a publicly-funded physics project.

The company was started as long ago as 2002 to develop Magnetized Target Fusion (MTF) technology.

MTF is expected by the company to be a shorter path to energy-positive fusion and to be a lot less costly. General Fusion was the first in the world to build and commission a compact toroid plasma injector at a power plant scale in 2010 and has reached many more milestones since.

Source: General Fusion

The company aims to reach fusion with 100 million degrees Celsius temperature in 2025 and to progress toward energy breakeven (positive return from nuclear fusion) in 2026. Before that, a 1/5^th scale model was made in 2023, and its performance matched the expectations of computer models.

Overall, General Fusion has spent 2 decades building step by step each of the core technologies of its final design, testing each along the way and successfully validating the idea, at least so far.

Source: General Fusion

As a private company, it did not have to discuss and negotiate any design change, contrary to international projects like ITER. It could also pick technology on its own merit, without having to decide if a specific country should get the contract regardless of political reason.

This is why many expect General Fusion and a few of its competitors to manage what large government projects might not.

3. TAE Technologies

Formerly known as Tri Alpha Energy, the California-based company is focused on developing fusion energy tech. TAE Technologies is currently upgrading its fusion platform, Norman, to a sixth-generation machine called Copernicus.

Source: TAE

TAE technology relies on particle accelerators to inject energy into the plasma and “act as a thickening agent that makes it more manageable”.

The company also extensively uses 3D printing in the making of Copernicus, allowing for quick iterations of new parts and quicker problem-solving. For example, it managed to print some reactor components for half the weight of what conventional manufacturing would have achieved.

Source: TAE

If all goes smoothly, the company expects to build its first prototype power plant that could connect to the grid in the early 2030s, which would be scaled up to develop “robust and reliable” commercial power through the decade.

Fusion, according to its CEO Michel Binderbauer, would take us into a “paradigm of abundance.”

For the past 25 years, the company has operated on a “money by milestone” model, where each round of funding is only earned from investors based on delivering on milestones that were promised to them.

In 2022, Google and Chevron (CVX ) invested in TAE Technologies as part of the company’s $250 million funding raise. Google has actually been partnered with TAE for a decade now and provides the company with AI and computational power.

The company also offers life science services (Boron Neutron Capture Therapy -BNCT) and power solutions like batteries and e-mobility.

4. Helion

Helion aims to create fusion with deuterium and helium-3, instead of the more common approach to focus on fusion with tritium.

Normally helium-3 is very hard to find. But Helion has a method to produce it from deuterium in its own reactor. Otherwise, unproven alternatives like mining for it on the Moon would probably have been needed.

Like most private ventures in fusion, Helion uses plasma injection technology.

Another unique feature of Helion is targeting direct electricity capture from the plasma, using Faraday’s Law to induce a current, directly skipping the steam heating cycle common in nuclear power plants.

This move is rather bold, but also could increase the yield of future power plants by 2-3 fold, as heat-to-steam-to-power conversion is usually with a very low efficiency. It is also a very capex-intensive procedure.

Helion’s fusion power plant is projected to have negligible fuel cost, low operating cost, high up-time, and competitive capital cost. Our machines require a much lower cost on capital equipment because we can do fusion so efficiently and don’t require large steam turbines, cooling towers, or other expensive requirements of traditional fusion approaches.

Helion currently operates Trenta, its 6^th generation reactor that has achieved 10,000+ pulses and 100 million degrees Celsius temperatures.

Source: Helion

It is currently moving to Polaris, its next model expected to have magnetic pulses 100x quicker than Trenta, which would make it the first nuclear fusion to produce a net gain of electricity.

It is worth noticing that Polaris would be 19m long, far from a giant installation compared to other, more classic fusion reactor designs.