Esta semana se anunciaba un gran avance en la investigación de la fusión nuclear que ya comenté aquí en un previo, por lo que se esperaba y lo que se había filtrado a los medios antes de la rueda de prensa del pasado martes en la sede del Departamento de Energía de EEUU. Ahora, ya a toro pasado, toca actualizar y comentar la información. Con algo de retraso, lo sé, pero es lo que hay…

Dado que esto sigue a lo publicado anteriormente, me van a permitir que me ahorre repetir la explicación sobre qué es y cómo funciona la fusión nuclear. Si no están familiarizados con ello lo necesitarán para entender lo que sigue, pero pueden encontrar los detalles aquí.

Puede decirse que lo revelado en la rueda de prensa ha superado ampliamente las expectativas. Pero también que hay razones para moderar ese entusiasmo triunfalista que se ha extendido. Cuando la secretaria de Energía de EEUU Jennifer Granholm dijo ante los medios que lo conseguido es «uno de los logros científicos más impresionantes del siglo XXI», posiblemente habría que reconocérselo, pero con matices. Esos matices pueden explicarse incluso con la comparación que Granholm hizo con el primer vuelo de los hermanos Wright en 1903, como voy a explicar.

La secretaria de Energía del gobierno de EEUU, Jennifer Granholm, en la rueda de prensa sobre la ganancia neta de energía obtenida el 5 de diciembre de 2022 en un experimento de fusión nuclear en la National Ignition Facility. Imagen de DOE.

Como ya conté brevemente, en 2021 los investigadores de la National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de California habían conseguido un hito que fue mucho menos pregonado que el actual, pero que para algunos físicos fue el paso realmente relevante (recordemos que los medios generalistas no necesariamente cuentan lo más importante en ciencia, ya que no siguen las publicaciones científicas, sino lo que se airea a través de comunicados y ruedas de prensa).

En aquella ocasión se obtuvieron 1,3 megajulios (MJ, millones de julios, la unidad de energía) del quemado del combustible frente a los 1,9 que inyectaron los láseres. Cualquiera que haga la cuenta comprobará que esto supone una ganancia de energía de 0,68, es decir, negativa. Pero cuando los investigadores revisaron sus datos y mediciones, confirmaron que habían conseguido la ignición.

Hay una explicación para esto: en realidad la energía que llega al combustible de la fusión es menor que la inyectada por los láseres en el receptáculo y la cápsula que lo contienen. Por lo tanto, la energía que realmente prendía el combustible no eran 1,9 MJ, sino una cantidad menor. Suficientemente menor como para que, en realidad, la ganancia fuera positiva al comparar la energía real absorbida por el combustible con los 1,9 MJ producidos en la fusión.

Esto no salió en ningún periódico, pero creó mucho revuelo entre los físicos porque suponía la demostración del principio, el gran avance: la NIF era capaz de conseguir la ignición. En los años anteriores, y ante la falta de grandes progresos, se había creado un clima de pesimismo en el que muchos expertos dudaban de que pudiese llegar a lograrlo. Hasta entonces solo se habían obtenido energías de fusión que eran como unas 8 veces menores, si no me falla la memoria.

Aquel nuevo resultado demostraba que era posible, y que sería cuestión de tiempo. Solo quedaba retocar el diseño del sistema de acuerdo a las simulaciones para conseguir ese pequeño extra más que superara formalmente lo que los físicos de fusión llaman el «scientific break even», la ganancia neta formal considerando la energía total aportada (que es lo anunciado ahora).

Una explicación un poco más detallada: como bien explicaba aquí Steven Kivrit, cuando se habla de ganancia neta de energía en un experimento de fusión nuclear por confinamiento inercial en realidad hay que distinguir entre cinco escalas de ganancia, como cinco hitos a superar:

Primero, energía obtenida en la fusión respecto a la que recibe el combustible.

Segundo, energía obtenida en la fusión respecto a la que recibe la cápsula del combustible.

Tercero, energía obtenida en la fusión respecto a la que recibe el llamado hohlraum, que es una especie de envase cilíndrico de oro que contiene la cápsula; en este método llamado indirecto los láseres no apuntan directamente a la cápsula de combustible, sino al interior del hohlraum, y este convierte la luz en rayos X que son los que queman el combustible. Con un sistema directo, donde los láseres bombardeen la cápsula de combustible sin utilizar un hohlraum, el segundo y el tercer hito son lo mismo.

Un hohlraum como los utilizados en la NIF. Es un pequeño cilindro de oro que lleva en su interior la cápsula de combustible de deuterio y tritio. Los láseres entran por los extremos abiertos. Imagen de National Laboratory’s National Ignition Facility, Lawrence Livermore National Laboratory.

Cuarto, energía obtenida en la fusión respecto a la energía de la electricidad que gastan los láseres.

Y por último, el quinto consiste en que la electricidad que pueda obtenerse de la energía de fusión supere a la electricidad que gastan los láseres.

Los tres primeros conceptos son diferentes porque a lo largo del proceso hay pérdidas de energía. De la aportada al hohlraum en forma de fotones, solo una parte se traduce en los rayos X que inciden en la cápsula de combustible. Y de esta, solo una parte llega al interior del combustible. En cuanto al cuarto paso, se debe a que los láseres son muy ineficientes; de toda la energía que consumen, solo una parte sale emitida en forma de chorros de luz. Y por último, por mucha energía que se obtenga de la fusión nuclear, para aprovecharla debe convertirse en electricidad. Solo cuando se complete este quinto paso tendremos fusión nuclear para calentar en el microondas lo que sobró de la pizza de ayer.

El experimento de 2021 superó los pasos uno y dos, y se quedó al borde del tercero. Ocurrió que, después de aquel resultado, no volvió a conseguirse lo mismo. Aparte del diseño del sistema y las simulaciones, el proceso es extremadamente sensible a cualquier insignificante error o defecto. Por ejemplo, si la simetría de la cápsula o del pellet de combustible falla aunque sea en una magnitud de un infinitésimo del diametro de un pelo humano, todo se va al traste. Esta perfección necesaria, junto con ciertos cambios en el sistema, han sido claves para que finalmente se haya llegado al nuevo hito: el tercer paso.

Según se anunció esta semana, en este último disparo se inyectaron 2,05 MJ al hohlraum y se obtuvieron 3,15 MJ en la fusión, lo que supone una ganancia de algo más de 1,5; es decir, han ido sobrados respecto al objetivo a conseguir, y esto sin duda merece celebrarse. En general puede decirse que los científicos expertos en fusión han acogido la noticia con mucho entusiasmo.

Pero ahora vienen los matices. Con respecto a las palabras de Granholm, por todo lo anterior convendría entender que este no es un logro del 5 de diciembre de 2021, sino un logro de 60 años de investigación en el que se han ido superando hitos progresivamente. El anunciado ahora es uno importante en un largo proceso.

Por eso la comparación con el vuelo de los hermanos Wright está bien traída: aunque suele creerse que ellos fueron quienes volaron por primera vez, no es así. Muchos otros ya habían volado antes que ellos. El primer hito, elevarse en un aparato más pesado que el aire, ya se había superado antes. También el segundo (más o menos), la propulsión. Lo que ellos lograron fue alcanzar un tercer paso, construir un aparato que pudiera pilotarse controlando el movimiento en los tres ejes del espacio. Pero incluso habiendo vencido este desafío, la traducción del éxito de los hermanos Wright al primer avión práctico comercial aún llevó años de desarrollo.

Esto último llevará décadas en el caso de la fusión nuclear. Primero, el hecho de que se haya superado la barrera del scientific break even no significa que ya se haya dejado atrás. Según lo explicado, no está garantizado que en los próximos experimentos vaya a repetirse esa ganancia de energía de 1,5. Ojalá los investigadores de la NIF hayan conseguido controlar todas las variables del experimento con la suficiente pericia y perfección como para que el resultado sea fácilmente replicable en el futuro. Pero habrá que esperar a comprobarlo.

Segundo y sobre todo, porque ese mantra repetido en los medios de que se ha encontrado el santo grial de la energía limpia e inagotable es una exageración de proporciones descomunales. Como ya expliqué en el artículo anterior y creo que ahora se entenderá mejor, para superar el cuarto hito, una ganancia neta de energía de la fusión respecto a la que consumen los láseres, habría que multiplicar el resultado obtenido ahora por 10, por 100 o incluso quizá por 1.000 (lo que ocurre es que este no es el propósito de la NIF, como explicaré ahora).

En cuanto al quinto paso, ya ni hablemos; aún es ciencia ficción. No olvidemos que la NIF es una instalación de 3.500 millones de dólares, del tamaño de un estadio de fútbol, que sirve para bombardear con 192 láseres —los cuales después de cada disparo deben dejarse enfriar durante casi un día entero— un diminuto perdigón congelado de deuterio y tritio que de repente se convierte en un pequeño sol durante unas milmillonésimas de segundo, y luego se apaga. Para convertir esto en una forma de energía práctica, los ingenieros tendrían que ingeniárselas para construir un reactor que pueda ir reponiendo a toda velocidad los pequeños y carísimos pellets de combustible y disparando láseres en ráfagas como una ametralladora.

Y esto no es todo: por desgracia, incluso cuando sea/si algún día es posible todo lo anterior, lo cierto es que aún nadie ha encontrado el modo práctico de convertir la energía de la fusión por confinamiento inercial en electricidad. De momento, todo lo que tenemos es una explosión en miniatura (en realidad una implosión) con una potencia increíble, durante unas milmillonésimas de segundo.

Por último, hay algo que es necesario subrayar, que justifica el gran entusiasmo de los responsables del Departamento de Energía (DOE) de EEUU que participaron en la rueda de prensa, y que aquí tampoco se ha explicado lo bastante. La NIF es una instalación dependiente de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) y que no fue diseñada para investigar la fusión nuclear como fuente de energía, sino con otro propósito muy diferente: simular la prueba de armas termonucleares sin necesidad de testar las propias bombas sobre el terreno.

En 1992 EEUU abandonó las pruebas nucleares, y desde entonces ha confiado en un programa de experimentación para comprobar la operatividad y seguridad de su arsenal nuclear sin estallar las bombas directamente. El nuevo resultado es un gran paso adelante para el programa nuclear de EEUU, que respalda a quienes han apostado por este enfoque frente a quienes presionaban para resucitar las pruebas nucleares.

Es cierto que ahora, según algunos medios especializados, el gobierno de EEUU se enfrenta a un dilema. En la rueda de prensa se anunció una nueva inyección de 624 millones de dólares para que la NIF pueda progresar en sus investigaciones a partir del hito recién alcanzado. Evidentemente, EEUU nunca ha ocultado el propósito de la NIF, ni va a abandonarlo. Pero ante las expectativas generadas en todo el mundo, y con la creciente y enorme presión pública por la búsqueda de alternativas a los combustibles fósiles, tampoco puede ignorar el avance que este nuevo resultado aporta a la línea de investigación en energía. Como cuenta a Nature el físico Stephen Bodner, antiguo jefe del programa de fusión láser en el Laboratorio de Investigación Naval de EEUU, «la gran pregunta ahora es qué hará a continuación el DOE: redoblar su apuesta en investigación armamentística en la NIF o pivotar hacia un programa láser dirigido a la investigación en energía de fusión».