Imagina tratar de convocar al sol a tu laboratorio de investigación.

¡Sí, tú, gran estrella brillante! Trae tu calor abrasador, el drama de la fusión nuclear constante de tu núcleo y tus niveles de energía fuera de lo común contigo. Queremos saber cómo hacer que esta energía de fusión suceda aquí en la Tierra, a voluntad y de manera eficiente, para que podamos tachar el "suministro de energía" de nuestra lista de preocupaciones para siempre.

Pero, por supuesto, el sol no puede llegar al laboratorio. Vive demasiado lejos, a unos 93 millones de millas, y es demasiado grande (alrededor de 864,000 millas de diámetro). También es demasiado caliente y más denso que cualquier cosa en la Tierra. Es por eso que puede sustentar las reacciones que generan toda la energía que impulsa la vida en la Tierra.

Esto no ha disuadido a los científicos de continuar con su búsqueda de la fusión nuclear, por supuesto.

En cambio, han encontrado formas extraordinarias, utilizando láseres intensos y combustible de hidrógeno, para producir condiciones extremas como las que existen en el núcleo del sol, produciendo fusión nuclear en diminutas cápsulas de plástico de 1 milímetro. Este enfoque se llama "fusión de confinamiento inercial".

El desafío es crear un sistema que genere más energía de fusión de la necesaria para crearlo.

Esto es excepcionalmente desafiante porque requiere experimentos de alta precisión en condiciones extremas, pero los investigadores han logrado grandes avances en la ciencia y la tecnología necesarias para producir una fusión de laboratorio controlada en las últimas décadas.

Ahora, el investigador de la Universidad de Delaware, Arijit Bose, y sus colaboradores están buscando una variación prometedora de este enfoque. Su trabajo fue publicado recientemente en Physical Review Letters .

Han aplicado potentes campos magnéticos a la implosión impulsada por láser, lo que puede permitirles dirigir las reacciones de fusión de formas nunca antes exploradas en experimentos.

Bose, profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la UD, comenzó su estudio de fusión nuclear durante la escuela de posgrado en la Universidad de Rochester.

Después de recorrer el Laboratorio de Energética Láser en Rochester, donde los láseres se utilizan para implosionar cápsulas esféricas y crear plasmas, lo que se conoce como "fusión por confinamiento inercial", encontró un enfoque para su propia investigación.

"La fusión es lo que impulsa todo en la Tierra", dijo. "Tener un sol en miniatura en la Tierra, un sol de tamaño milimétrico, ahí es donde ocurriría la reacción de fusión. Y eso me dejó alucinado".

La investigación de fusión nuclear impulsada por láser ha existido durante décadas, dijo Bose.

Comenzó en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en la década de 1970. Livermore alberga ahora el sistema láser más grande del mundo, del tamaño de tres campos de fútbol. La investigación de fusión realizada allí utiliza un enfoque indirecto. Los láseres se dirigen a una pequeña lata de oro de 100 milímetros. Golpean la superficie interna de la lata y producen rayos X, que luego golpean el objetivo, una pequeña esfera hecha de deuterio y tritio congelados, y la calientan a temperaturas cercanas al núcleo del sol.

"Nada puede sobrevivir a eso", dijo Bose. "Los electrones son arrancados de los átomos y los iones se mueven tan rápido que chocan y se fusionan".

El objetivo implosiona en un nanosegundo, una milmillonésima de segundo, primero impulsado por el láser y luego continúa comprimiéndose por su propia inercia. Finalmente, se expande debido al aumento de la presión central provocada por la compresión.

"Hacer que comience una reacción en cadena de fusión autocalentada se llama ignición", dijo Bose. "Estamos muy cerca de lograr la ignición".

Investigadores de Livermore informaron nuevos avances impresionantes en ese esfuerzo el 8 de agosto.

La instalación de láser OMEGA de Rochester es más pequeña y se utiliza para probar un enfoque de accionamiento directo. Ese proceso no utiliza una lata de oro. En cambio, los láseres golpean la esfera objetivo directamente.

La nueva pieza es el poderoso campo magnético, en este caso fuerzas de hasta 50 teslas, que se utiliza para controlar las partículas cargadas. En comparación, la resonancia magnética nuclear (RMN) típica utiliza imanes de aproximadamente 3 Tesla. Y el campo magnético que protege a la Tierra del viento solar es mucho más pequeño que 50T, dijo Bose.

"Quieres que los núcleos se fusionen", dijo Bose. "Los campos magnéticos atrapan las partículas cargadas y las hacen girar alrededor de las líneas de campo. Eso ayuda a crear colisiones y ayuda a impulsar la fusión. Es por eso que agregar campos magnéticos tiene beneficios para producir energía de fusión".

La fusión requiere condiciones extremas, pero se ha logrado, dijo Bose. El desafío es obtener más salida de energía que entrada y los campos magnéticos brindan el impulso que puede hacer que este enfoque sea transformador.

Los experimentos publicados en Physical Review Letters se realizaron cuando Bose estaba realizando una investigación posdoctoral en el Plasma Science and Fusion Center del MIT. Esa colaboración continúa.

Bose dijo que se sintió atraído por la Universidad de Delaware, en parte, debido al enfoque de física de plasma en el Departamento de Física y Astronomía, incluidos William Matthaeus, Michael Shay y Ben Maruca.

“Hacen estudios y análisis de datos provenientes del programa solar de la NASA y todas sus misiones”, dijo. "Llevamos a cabo experimentos de astrofísica de laboratorio en los que estos fenómenos se reducen en el espacio y el tiempo al laboratorio. Esto nos brinda un medio para desentrañar algunas de las intrincadas preguntas de física planteadas por las misiones de la NASA".

Los estudiantes son importantes impulsores de este trabajo, dijo Bose, y sus carreras pueden ver un gran avance en este nuevo campo de estudio.

"Es una parte fascinante de la ciencia y los estudiantes son una parte muy importante del desarrollo de la fuerza laboral para los laboratorios nacionales", dijo. "Los estudiantes con experiencia en esta ciencia y tecnología a menudo terminan como científicos e investigadores en los laboratorios nacionales".

Hay mucho más trabajo por hacer, dijo.

"No tendremos una solución mañana. Pero lo que estamos haciendo es contribuir a una solución para la energía limpia". + Explora más

Magnetización de implosiones de fusión inercial impulsadas por láser