La energía de fusión nuclear lleva décadas siendo una de las grandes promesas de la ciencia, aunque convertirla en una fuente de electricidad viable sigue siendo un desafío. Sin embargo, gracias a nuevas ideas y equipos cada vez más avanzados, los investigadores están logrando avances que hace apenas unos años parecían imposibles. Y algunos científicos han decidido explorar un camino diferente: recuperar una tecnología antigua y aprovechar los recursos actuales para hacerla funcionar.
Un grupo de físicos acaba de demostrar experimentalmente que el método conocido como generación de corriente mediante ondas helicón puede funcionar. La prueba se realizó en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, en Estados Unidos, y representa un avance importante para una tecnología que había quedado relegada durante décadas.
La técnica fue propuesta originalmente en los años 80 y consiste en utilizar ondas de radio de alta frecuencia para generar una corriente eléctrica dentro del plasma extremadamente caliente de un reactor de fusión. Esa corriente permite mantener la estabilidad de la reacción. El problema era que los equipos disponibles en aquella época no tenían la capacidad necesaria para poner a prueba la teoría con éxito.
Ahora, gracias a los avances tecnológicos, los científicos lograron demostrar por primera vez su funcionamiento. Los físicos Bob Pinsker, Jeff Lestz y Bart Van Compernolle, de General Atomics, fueron los autores principales del estudio, publicado recientemente en la revista científica Physical Review Letters.
La clave para conseguir una fusión nuclear continua
La mayoría de los principales proyectos de fusión nuclear utilizan un dispositivo llamado tokamak, una máquina con forma de rosquilla que emplea campos magnéticos para confinar el plasma.
Según explica el Departamento de Energía de Estados Unidos, un conjunto de bobinas magnéticas genera un campo toroidal que recorre el anillo en su dirección más larga. Al mismo tiempo, un electroimán denominado solenoide produce un segundo campo magnético que rodea la sección transversal del dispositivo.
Sin embargo, este sistema tiene una limitación importante. Como explicó Pinsker a Gizmodo, el tiempo de funcionamiento de un tokamak está limitado por la manera en que se genera la corriente del plasma, mediante un mecanismo similar al de un transformador.
En determinado momento, el solenoide necesita reiniciarse, lo que obliga a interrumpir el plasma. Esto impide que el reactor funcione de manera continua.
Por ejemplo, el tokamak de DIII-D solo puede mantener pulsos de aproximadamente 10 segundos. En instalaciones más grandes, estos períodos pueden extenderse hasta los 500 segundos, unos ocho minutos, o incluso alcanzar los 1.000 segundos, equivalentes a casi 17 minutos.
El problema es que, según Lestz, la mayoría de los estudios de diseño indican que los futuros reactores comerciales necesitarán funcionar en un estado estable, sin interrupciones constantes.
Por eso, los investigadores llevan años explorando métodos denominados no inductivos, capaces de generar la corriente necesaria mediante diferentes tipos de ondas electromagnéticas.
«La generación de corriente mediante ondas helicón no representa un enfoque diferente para obtener energía de fusión», explicó Pinsker. «Más bien, es otra tecnología que puede aplicarse al tokamak para mejorar su funcionamiento».
Una teoría que se adelantó a su época
La idea detrás de estos métodos consiste en introducir energía de radiofrecuencia dentro del toroide para estimular determinadas ondas en el plasma. Estas interactúan con los electrones y los impulsan en una dirección, generando así una corriente eléctrica.
El procedimiento ya se había demostrado en varios tokamaks, aunque presentaba una dificultad: las ondas utilizadas podían tener problemas para penetrar hasta las regiones más profundas del plasma.
Los científicos plantearon entonces que otro tipo de onda de radio, conocida como helicón, podría resolver esa limitación.
Pinsker, cuya tesis doctoral estuvo centrada precisamente en esta propuesta, explicó que existían tres razones principales por las que los experimentos de los años 80 no habían dado resultado.
La primera era que los plasmas producidos por los tokamaks de aquella época no reunían condiciones suficientemente similares a las de un reactor como para absorber correctamente las ondas helicón. La segunda era que la tecnología utilizada para emitirlas todavía resultaba poco eficiente. Y la tercera tenía que ver con los instrumentos de medición, que no eran lo bastante avanzados para detectar las corrientes no inductivas dentro del plasma.
«Todos los que lo intentaron en los años 80 esperaban una especie de milagro», recordó Pinsker durante una entrevista con la Sociedad Nuclear Estadounidense (ANS).
«Esperábamos que esa parte del modelo estuviera equivocada. El problema siempre fue que no teníamos un reactor en el que pudiéramos ponerlo a prueba», agregó.
Cuatro décadas después, las predicciones finalmente se hicieron realidad
Durante las décadas siguientes, la investigación en fusión nuclear experimentó importantes avances tecnológicos. Para 2014, Pinsker y sus colegas ya estaban preparando el regreso de aquella antigua teoría, aunque los nuevos experimentos no comenzaron hasta el verano de 2024.
Esta vez, las condiciones eran muy diferentes.
La instalación DIII-D contaba con una antena especializada, denominada comb-line, capaz de emitir ondas helicón hacia plasmas que alcanzaban temperaturas suficientemente elevadas para absorberlas.
Además, las mejoras en los sistemas de diagnóstico permitían observar con mucha más precisión lo que ocurría durante cada experimento.
Y, finalmente, la técnica funcionó.
Pinsker explicó a la ANS que el equipo pudo identificar claramente un aumento de temperatura en el plasma como consecuencia de la absorción de las ondas helicón.
Sin embargo, los investigadores evitaron sacar conclusiones apresuradas. Antes de presentar los resultados, realizaron numerosas comprobaciones estadísticas para asegurarse de que el fenómeno observado no fuera una anomalía.
Según recordó el físico, llevaron las verificaciones al extremo para evitar cualquier sospecha de haber seleccionado únicamente los datos más favorables o de estar mostrando un resultado excepcional que no pudiera reproducirse.
El próximo desafío será llevar la tecnología a condiciones reales
Aunque los resultados representan un avance importante, Pinsker advirtió que todavía queda mucho trabajo por delante.
DIII-D es una instalación experimental y no puede reproducir completamente las condiciones de funcionamiento de un reactor comercial, precisamente el escenario en el que esta tecnología podría ofrecer sus mayores ventajas.
«Como ocurre con cualquier buen experimento, diría que nuestros resultados abren numerosas posibilidades para futuras investigaciones y plantean nuevas preguntas», señaló Pinsker.
El investigador considera que el camino más directo para mejorar los resultados sería aumentar considerablemente la potencia que puede transferirse a las ondas helicón dentro del plasma.
Esto permitiría estudiar con mayor profundidad el potencial de la técnica y determinar hasta qué punto podría contribuir al funcionamiento continuo de los futuros reactores.
Por ahora, como sucede con buena parte de las investigaciones sobre fusión nuclear, será necesario esperar para conocer sus verdaderas aplicaciones.
Sin embargo, el experimento deja una conclusión alentadora: una tecnología que parecía inviable hace cuatro décadas puede convertirse en una alternativa prometedora cuando la ciencia dispone de las herramientas adecuadas.
