El santo grial de la fusión nuclear halla una nueva ruta con los pulsos láser

Investigando sobre la fusión controlada de los átomos al nivel cuántico, han puesto de relieve la idea de que, en lugar de calentar los átomos a temperaturas que se encuentran dentro del sol o romperlos en un colisionador, es posible empujarlos lo suficientemente cerca como para fundirlos usando pulsos láser.

Los científicos Peter Wolynes (de Rice), Martin Gruebele (de Illinois) y el egresado de Illinois Eduardo Berrios, de Chile, simularon reacciones en dos dimensiones que, si se extrapolaban a tres, podrían producir energía eficientemente a partir de deuterio y tritio u otros elementos.

En un reciente artículo divulgado en Chemical Physics Letters, y dedicado a Ahmed Zewail, consejero postdoctoral de Gruebele y galardonado con el Premio Nobel por su trabajo en femtoquímica, se ha constatado que destellos láser de femtosegundos desencadenan reacciones químicas.

La técnica femtoquímica es central para la nueva idea de que los núcleos pueden ser empujados lo suficientemente cerca como para superar la barrera de Coulomb que obliga a los átomos de carga similar a repelerse mutuamente. Cuando esto se logra, los átomos pueden fundirse y liberar calor a través de la dispersión de neutrones. Cuando se crea más energía de la que se necesita para sostener la reacción, la fusión sostenida se hace viable.

El truco consiste en hacer todo esto de una manera controlada, y los científicos han estado persiguiendo semejante truco durante décadas, principalmente mediante la contención de plasmas de hidrógeno a temperaturas parecidas al sol y en grandes instalaciones.

El nuevo trabajo ha descrito una simulación básica de prueba de principio que muestra cómo, en dos dimensiones, un pulso de láser moldeado empujaría una molécula de deuterio y tritio, cuyos núcleos ya están situados a una distancia internuclear mucho menor que en un plasma, casi lo suficientemente cerca como para fundirse. "Lo que les impide reunirse es la carga positiva de los núcleos, y ambos núcleos tienen la carga más pequeña", declaró Wolynes.

Dijo que las simulaciones en 2D eran necesarias para mantener los cálculos iterativos prácticos, a pesar de que hacerlo requería extraer 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 enfrentaremos en el futuro", dijo Wolynes.

Sin los electrones, todavía era posible traer núcleos dentro de una pequeña fracción de un angstrom mediante la simulación de los efectos de pulsos de laser de infrarrojo cercano de 5 femtosegundos que mantenían los núcleos juntos en una molécula de 'campo enlazado'.

"Durante décadas, los investigadores también han investigado la fusión con muón, donde el electrón en la molécula de deuterio / tritio es reemplazado por un muón", dijo Gruebele. "Piense en él como un electrón 208 veces más pesado. Como resultado, la distancia del enlace molecular se reduce por un factor de 200, disponiendo los núcleos aún mejor para la fusión", agregó.

"Tristemente, los muones no viven para siempre, y el aumento de la eficiencia de la fusión decae poco después del momento en que comienza la producción de energía", aseveró. "Pero cuando los pulsos de láser ultravioleta de vacío se vuelven tan disponibles como los del infrarrojo cercano que hemos simulado aquí, el control cuántico de la fusión muónica puede superar el umbral", añadió.

Debido a que el modelo funciona a nivel cuántico -donde las partículas subatómicas están sujetas a reglas diferentes y tienen las características de ambas partículas y ondas- el principio de incertidumbre de Heisenberg entra en juego. "Eso hace imposible saber la ubicación precisa de las partículas y hace que el ajuste de los láser sea un desafío", explicó Wolynes.

"Está claro que el tipo de pulsos que necesita tiene que ser altamente esculpido y tener muchas frecuencias en ellos", comentó. "Probablemente se necesitará experimentar para averiguar cuál debe ser la mejor forma de pulso, pero el tritio es radioactivo, por lo que nadie quiere poner tritio en su aparato hasta que esté seguro de que va a funcionar".