Un nuevo experimento que reproduce los campos magnéticos de la Tierra y otros planetas ha dado sus primeros resultados significativos. Los resultados confirman que su enfoque único tiene potencial para ser desarrollado como una nueva forma de crear una planta productora de energía basada en la fusión nuclear – el proceso que genera el sol y la prodigiosa producción de energía.

La fusión ha sido un anhelado objetivo de los físicos y los investigadores de la energía por más de 50 años. Eso es porque ofrece la posibilidad de suministros casi inagotable de energía sin emisiones de carbono y los residuos radiactivos mucho menos que el producido por las centrales nucleares de hoy, que se basan en la fisión, la división de los átomos (al contrario de la fusión, que implica la fusión de dos átomos juntos). Pero el desarrollo de un reactor de fusión que produce una salida neta de energía ha demostrado ser más difícil de lo pensado inicialmente.
Los nuevos resultados proceden de un dispositivo experimental en el campus del MIT, inspirados por las observaciones hechas desde el espacio por satélites. Llamado Experimento de dipolo levitante, o LDX, un proyecto conjunto del MIT y la Universidad de Columbia, utiliza una media tonelada donut imán en forma y tamaño de un neumático de camión grande, de superconductores de alambre enrollado dentro de un recipiente de acero inoxidable. Este imán es suspendido por un campo electromagnético de gran alcance, y se utiliza para controlar el movimiento de los 10 millones de grados gas cargado eléctricamente caliente, o de plasma, que figura dentro de sus 16 metros de diámetro en su cámara exterior.
Los resultados, publicados esta semana en la revista Nature Physics, confirma que la predicción dentro de la cámara magnética del dispositivo, la turbulencia al azar hace que el plasma se vuelva más densamente concentrado – un paso crucial para llegar a que los átomos se fusionen – en lugar de volverse más hacia fuera, como suele ocurrir con la turbulencia. Este “turbulento pellizco” del plasma se ha observado en los plasmas que se forman en el espacio e interactúan con la Tierra y los campos magnéticos de Júpiter, pero nunca se ha recreado en el laboratorio.

La mayoría de los experimentos de fusión en todo el mundo utilizan uno de dos métodos: tokamaks, que utilizan un conjunto de imanes en espiral alrededor de una cámara con forma de donut para confinar el plasma, o la fusión inercial, usando un láser de alta potencia con la explosión de un pequeño perdigón de combustible en el centro del dispositivo. Pero LDX toma un enfoque diferente. “Es el primer experimento de este tipo”, dice el científico senior del MIT Jay Kesner, la investigación del MIT líder Grupo de Física de LDX, que co-dirige el proyecto con Michael E. Mauel, profesor de Física Aplicada de la Universidad de Columbia Fundación Escuela de Ingeniería y Ciencia Aplicada.
Los resultados del experimento muestran que este enfoque “puede producir una ruta alternativa a la fusión”, dice Kesner, aunque será necesaria más investigación para determinar si sería práctico. Por ejemplo, aunque los investigadores han medido de alta densidad del plasma, el equipo nuevo aún necesita ser instalado para medir su temperatura, y en última instancia, una versión mucho más grande tendría que ser construida y probada.
Kesner advierte que el tipo de ciclo de combustible previsto para otros tipos de reactores de fusión, como tokamaks, que utilizan una mezcla de dos formas de de hidrógeno “pesados” llamado deuterio y el tritio, debería ser más fácil de alcanzar y probablemente será el primero en entrar en operación. La fusión de deuterio-deuterio, prevista para los dispositivos basados en el diseño LDX, si es que alguna vez será convertido en práctica, es probable que hagan de este “un segundo enfoque de generación”, dice.
Cuando se opera, el gran imán LDX es apoyado por el campo magnético de una sobrecarga del electroimán, que es controlado constantemente por un equipo basado en el seguimiento de precisión de su posición con ocho rayos láser y detectores. La posición de la media tonelada de imán, que lleva una corriente de un millón de amperios (en comparación con la capacidad total de una casa típica de 200 amperios) se puede mantener de esta manera a menos de medio milímetro. Un soporte con forma de cono con resortes se coloca bajo el imán para capturar de forma segura si algo sale mal con el sistema de control.

La levitación es crucial porque el campo magnético lo utiliza para confinar el plasma que de lo contrario se vería perturbado por los objetos en su camino, al igual que cualquier soporte se utiliza para mantener el imán en su lugar. En las corridas experimentales, que recrean las mismas condiciones con y sin el sistema de apoyo, y confirmó que el confinamiento del plasma fue aumentado dramáticamente en el modo de levitación, con los apoyos eliminados. Con el imán en levitación, el pico central de la densidad del plasma a desarrollado en unas centésimas de segundo, y muy parecida a las observadas en la magnetósfera del planeta (como los campos magnéticos que rodean la Tierra y Júpiter).
Resumiendo, la diferencia entre los dos enfoques, Kesner explica que en un tokamak, el plasma caliente se circunscribe dentro de un gran imán, pero en el LDX el imán está en el interior del plasma. Todo el concepto, dice, fue inspirado por las observaciones de magnetosferas planetarias hechas por naves interplanetarias. A su vez, dice que los experimentos basados en la investigación planetaria en LDX pueden dar “muchos detalles más sutiles de lo que usted puede conseguir mediante el lanzamiento de satélites.

El MIT y científicos de Columbia decen que si la turbulencia inducida por el aumento de densidad que presentan los LDX podría ser ampliada a dispositivos más grandes, puede que les permitan crear las condiciones necesarias para sostener las reacciones de fusión, lo que puede indicar el camino hacia la abundante y sostenible producción de energía de fusión.

“La energía de fusión podría proporcionar una solución a largo plazo de la energía del planeta que necesita sin contribuir al calentamiento global”, dice Mauel de Columbia.
El proyecto LDX, dirigido por Mauel y Kesner y financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., ha sido a través de más de 10 años de diseño, construcción, ensayo y produjo sus primeros resultados experimentales en su configuración, y levitando el año pasado, que están siendo denunciados en el análisis publicado esta semana. El Dr. Darren Garnier, de la Universidad de Columbia, quien dirige las operaciones de LDX experimental, el mes pasado recibió el Premio a la Excelencia en Rose fusión de Ingeniería por su trabajo en LDX. Instalando un arreglo del interferómetro de microondas, desarrollado por el estudiante de doctorado del MIT Alex Boxer PhD ’09, fue utilizado para hacer las mediciones de precisión de las concentraciones plasmáticas que se utiliza para observar el pellizco turbulento.
“LDX es uno de los experimentos más novedosos en marcha sobre física de plasmas de fusión de hoy”, dice Stewart Prager, director del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton. Debido a la geometría única del sistema, dice, “las predicciones teóricas indican que el confinamiento de la energía podría ser muy favorable” para la producción de energía de fusión práctica, pero la teoría debe ser confirmada en la práctica. “Para que esos beneficios se cuenta, las predicciones teóricas algo audaz debe ser realizada de forma experimental,” dice.

Proporcionado por el Massachusetts Institute of Technology.