La fusión nuclear controlada ha sido un santo grial para los físicos que buscan un suministro inagotable de energía limpia. Científicos de la Universidad de Rice, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Chile ofrecieron un vistazo a un posible nuevo camino hacia ese objetivo.

Su informe sobre la fusión controlada cuántica plantea la noción de que, en lugar de calentar los átomos a las temperaturas que se encuentran dentro del sol o aplastarlos en un colisionador, podría ser posible acercarlos lo suficiente para fusionarlos mediante el uso de pulsos láser con forma:ultracorto, ráfagas sintonizadas de luz coherente.

Autores Peter Wolynes de Rice, Martin Gruebele de Illinois y el ex alumno de Illinois Eduardo Berrios de Chile simularon reacciones en dos dimensiones que, si se extrapola a tres, podría producir energía de manera eficiente a partir de deuterio y tritio u otros elementos.

Su artículo aparece en la edición festschrift de Letras Físicas Químicas dedicado a Ahmed Zewail, Asesor postdoctoral de Gruebele y premio Nobel por su trabajo en femtoquímica, en el que los destellos de láser de femtosegundos desencadenan reacciones químicas.

La técnica femtoquímica es fundamental para la nueva idea de que los núcleos se pueden acercar lo suficiente para superar la barrera de Coulomb que obliga a los átomos de carga similar a repelerse entre sí. Cuando eso se logra, los átomos pueden fusionarse y liberar calor a través de la dispersión de neutrones. Cuando se crea más energía de la necesaria para mantener la reacción, la fusión sostenida se vuelve viable.

El truco consiste en hacer todo esto de forma controlada, y los científicos han estado persiguiendo ese truco durante décadas, principalmente al contener plasmas de hidrógeno a temperaturas similares a las del sol (en la Instalación Nacional de Ignición del Departamento de Energía de EE. UU. y en el esfuerzo del Reactor Experimental Termonuclear Internacional en Francia) y en grandes instalaciones.

El nuevo artículo describe una simulación básica de prueba de principio que muestra cómo, en dos dimensiones, un pulso de láser en forma empujaría una molécula de deuterio y tritio, sus núcleos ya se encuentran a una distancia internuclear mucho menor que en un plasma, casi lo suficientemente cerca para fusionarse. "Lo que les impide unirse es la carga positiva de los núcleos, y ambos núcleos tienen la carga más pequeña, 1, "Dijo Wolynes.

Dijo que las simulaciones 2-D eran necesarias para que los cálculos iterativos fueran prácticos, a pesar de que hacerlo requería eliminar electrones de las moléculas modelo. "La mejor manera de hacerlo sería dejar los electrones encendidos para ayudar al proceso y controlar sus movimientos, pero ese es un problema de dimensiones superiores que nosotros, o alguien, abordaremos en el futuro, "Dijo Wolynes.

Sin los electrones todavía era posible llevar núcleos dentro de una pequeña fracción de un angstrom simulando los efectos de la forma de 5 femtosegundos, pulsos de láser de infrarrojo cercano, que mantenía los núcleos juntos en una molécula "unida a un campo".

"Por décadas, Los investigadores también han investigado la fusión catalizada por muones, donde el electrón en la molécula de deuterio / tritio es reemplazado por un muón, "Gruebele dijo." Piense en ello como un electrón 208 veces más pesado. Como resultado, la distancia de enlace molecular se reduce en un factor de 200, preparando los núcleos aún mejor para la fusión.

"Desafortunadamente, los muones no viven para siempre, y el aumento de la eficiencia de la fusión apenas alcanza el equilibrio en la producción de energía, ", dijo." Pero cuando los pulsos de láser ultravioleta al vacío con forma se vuelven tan disponibles como los del infrarrojo cercano que simulamos aquí, el control cuántico de la fusión muónica puede superar el umbral ".

Debido a que el modelo funciona a nivel cuántico, donde las partículas subatómicas están sujetas a diferentes reglas y tienen las características tanto de partículas como de ondas, entra en juego el principio de incertidumbre de Heisenberg. Eso hace que sea imposible conocer la ubicación precisa de las partículas y hace que sintonizar los láseres sea un desafío. Dijo Wolynes.

"Está claro que el tipo de pulsos que necesitas deben estar altamente esculpidos y tener muchas frecuencias, ", dijo." Probablemente se necesitará experimentación para descubrir cuál debería ser la mejor forma de pulso, pero el tritio es radiactivo, así que nadie quiere poner tritio en su aparato hasta que esté seguro de que va a funcionar ".

Wolynes dijo que él y Gruebele, cuyo laboratorio estudia el plegamiento de proteínas, dinámica celular, microscopía de nanoestructura, comportamiento de natación de los peces y otros temas, he estado pensando en las posibilidades durante aproximadamente una década, a pesar de que la fusión nuclear es más un pasatiempo que una profesión para ambos. "Finalmente tuvimos el coraje de decir, 'Bien, vale la pena decir algo al respecto '.

"No estamos iniciando una empresa ... todavía, ", dijo." Pero puede haber ángulos aquí que otras personas puedan pensar que conducirían a algo práctico incluso en el corto plazo, como la producción de pulsos cortos de partículas alfa que podrían ser útiles en aplicaciones de investigación.

"Estaría mintiendo si dijera que cuando comenzamos el cálculo, No esperaba que pudiera resolver los problemas energéticos de la humanidad, "Dijo Wolynes." En este punto, no es así. Por otra parte, Creo que es una pregunta interesante que nos inicia en un nuevo camino ".