El MIT desarrolla un 'superimán' que allana el camino hacia la energía de fusión

El 5 de septiembre, por primera vez, un gran electroimán superconductor de alta temperatura se incrementó hasta una intensidad de campo de 20 tesla, el campo magnético más poderoso de este tipo jamás creado en la Tierra. Esa demostración exitosa ayuda a resolver la mayor incertidumbre en la búsqueda para construir la primera planta de energía de fusión del mundo que pueda producir más energía de la que consume, según los líderes del proyecto en el MIT y la empresa emergente Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Este avance allana el camino para la tan buscada creación de centrales eléctricas prácticas, económicas y libres de carbono que podrían contribuir de manera importante a limitar los efectos del cambio climático global.

"La fusión en muchos sentidos es la fuente de energía limpia definitiva", dice Maria Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT y profesora de geofísica de EA Griswold. "La cantidad de energía disponible es realmente revolucionaria". El combustible utilizado para crear la energía de fusión proviene del agua y “la Tierra está llena de agua, es un recurso casi ilimitado. Solo tenemos que descubrir cómo utilizarlo".

El desarrollo del nuevo imán se considera el mayor obstáculo tecnológico para lograrlo; su exitosa operación abre ahora la puerta a la demostración de la fusión en un laboratorio en la Tierra, lo que se ha llevado a cabo durante décadas con un progreso limitado. Con la tecnología de imanes ahora demostrada con éxito, la colaboración MIT-CFS está en camino de construir el primer dispositivo de fusión del mundo que puede crear y confinar un plasma que produce más energía de la que consume. Ese dispositivo de demostración, llamado SPARC, está previsto que se complete en 2025.

“Los desafíos de lograr la fusión son tanto técnicos como científicos”, dice Dennis Whyte, director del Plasma Science and Fusion Center del MIT, que está trabajando con CFS para desarrollar SPARC. Pero una vez que se prueba la tecnología, “es una fuente de energía inagotable y libre de carbono que se puede implementar en cualquier lugar y en cualquier momento. Es realmente una fuente de energía fundamentalmente nueva".

Whyte, quien es profesor de ingeniería de Hitachi America, dice que la demostración de esta semana representa un hito importante, al abordar las preguntas más importantes que quedan sobre la viabilidad del diseño SPARC. "Es realmente un momento decisivo, creo, en la ciencia y la tecnología de fusión", dice.

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El sol en una botella

La fusión es el proceso que impulsa al sol: la fusión de dos átomos pequeños para formar uno más grande, liberando cantidades prodigiosas de energía. Pero el proceso requiere temperaturas muy superiores a las que podría soportar cualquier material sólido. Para capturar la fuente de energía del sol aquí en la Tierra, lo que se necesita es una forma de capturar y contener algo tan caliente (100.000.000 grados o más) suspendiéndolo de una manera que evite que entre en contacto con algo sólido.

Eso se hace a través de intensos campos magnéticos, que forman una especie de botella invisible para contener la sopa caliente de protones y electrones, llamada plasma. Debido a que las partículas tienen una carga eléctrica, están fuertemente controladas por los campos magnéticos, y la configuración más utilizada para contenerlas es un dispositivo en forma de rosquilla llamado tokamak. La mayoría de estos dispositivos han producido sus campos magnéticos utilizando electroimanes convencionales hechos de cobre, pero la última y más grande versión en construcción en Francia, llamada ITER, utiliza lo que se conoce como superconductores de baja temperatura.

La principal innovación en el diseño de fusión MIT-CFS es el uso de superconductores de alta temperatura, que permiten un campo magnético mucho más fuerte en un espacio más pequeño. Este diseño fue posible gracias a un nuevo tipo de material superconductor que estuvo disponible comercialmente hace unos años. La idea surgió inicialmente como un proyecto de clase en una clase de ingeniería nuclear impartida por Whyte. La idea parecía tan prometedora que continuó desarrollándose en esa clase, lo que llevó al concepto de diseño de la planta de energía ARC a principios de 2015. SPARC, diseñado para tener aproximadamente la mitad del tamaño de ARC, es un banco de pruebas para demostrar el concepto antes de la construcción de la planta de producción de energía de tamaño completo.

Hasta ahora, la única forma de lograr los campos magnéticos colosalmente poderosos necesarios para crear una "botella" magnética capaz de contener plasma calentado hasta cientos de millones de grados era hacerlos cada vez más grandes. Pero el nuevo material superconductor de alta temperatura, fabricado en forma de cinta plana, permite lograr un campo magnético mayor en un dispositivo más pequeño, igualando el rendimiento que se lograría en un aparato 40 veces más grande en volumen utilizando imanes superconductores convencionales de baja temperatura. Ese salto en potencia versus tamaño es el elemento clave en el diseño revolucionario de ARC.

El uso de los nuevos imanes superconductores de alta temperatura hace posible aplicar décadas de conocimiento experimental obtenido de la operación de experimentos de tokamak, incluida la propia serie Alcator del MIT. El nuevo enfoque, dirigido por Zach Hartwig, investigador principal del MIT y profesor asistente de desarrollo de carrera Robert N. Noyce de ciencia e ingeniería nuclear, utiliza un diseño bien conocido, pero reduce todo a aproximadamente la mitad del tamaño lineal y aún logra las mismas condiciones operativas debido al campo magnético más alto.

Una serie de artículos científicos publicados el año pasado describieron la base física y, mediante simulación, confirmaron la viabilidad del nuevo dispositivo de fusión. Los artículos mostraron que, si los imanes funcionaban como se esperaba, todo el sistema de fusión debería producir una potencia neta, por primera vez en décadas de investigación sobre la fusión.

Martin Greenwald, subdirector e investigador científico senior del PSFC, dice que, a diferencia de otros diseños para experimentos de fusión, “el nicho que estábamos llenando era usar la física de plasma convencional y los diseños e ingeniería de tokamak convencionales, pero traemos este nuevo imán tecnología. Por lo tanto, no necesitábamos innovación en media docena de áreas diferentes. Simplemente innovaríamos en el imán y luego aplicaríamos la base de conocimientos de lo que se ha aprendido durante las últimas décadas ".

Esa combinación de principios de diseño científicamente establecidos y una fuerza de campo magnético que cambia el juego es lo que hace posible lograr una planta que podría ser económicamente viable y desarrollada en una vía rápida. "Es un gran momento", dice Bob Mumgaard, director ejecutivo de CFS. “Ahora tenemos una plataforma que está científicamente muy avanzada, debido a las décadas de investigación en estas máquinas, y también es comercialmente muy interesante. Lo que hace es permitirnos construir dispositivos más rápido, más pequeños y a menor costo”, dice sobre la exitosa demostración del imán.