Por: Juan Fernando Pachón Botero
Jufepa40@hotmail.com
Desde los albores de la civilización, el hombre siempre ha soñado con una fuente inagotable de energía. En su incansable búsqueda para conseguirla no ha escatimado esfuerzo alguno. Claro está, que todo se ha reducido a una cacería implacable y sistemática en las propias entrañas de la tierra, tratando de hallar el santo grial de la geología: el combustible inagotable capaz de mover al mundo. Los recursos naturales son regalos que nos ha brindado la naturaleza, permitiendo a la raza humana sustentar su desarrollo tecnológico. Tanto el carbón, como el petróleo y el gas natural han sido pilares fundamentales del avance triunfal del hombre hacia un futuro sin límites. Pero hay que estar atentos, pues el inventario se está agotando, dada la creciente demanda de necesidades. Además, las actuales energías limpias: eólica y solar, no parecen ser la solución a largo plazo. Los seres humanos deben ser conscientes del escaso horizonte a la vista y del reducido margen de maniobra en cuanto a la óptima explotación de los yacimientos naturales, los cuales han impulsado a la civilización moderna en una carrera frenética hacia el progreso, máxime, cuando el común denominador en todos ellos es su marca registrada: “productos no renovables”.
Sin embargo en este último tiempo, más precisamente entre mediados del siglo pasado y comienzos de éste, los científicos del planeta están apuntando en la dirección correcta: La energía que se extrae desde el conocimiento mismo. ¿Cómo así?, se estará preguntando el desprevenido lector. El asunto es muy inquietante en sí, aunque complejo en su entendimiento, debo aclararlo. Confieso que antes de lanzarme en esta odisea por los dominios de la física cuántica, tuve que armarme de paciencia y constancia para lograr desvelar algunos de los misterios que atañen al mundo de lo infinitamente pequeño. Pero más difícil aún, es tratar de explicar en términos sencillos la complicada trama que se teje al ritmo de las leyes que rigen el universo subatómico. Aunque no niego que una vez iniciado el viaje, su apasionante contenido me atrapó hasta las últimas consecuencias. Era un tema, en particular, que tenía atragantado en la garganta desde hacía tiempo atrás, y el hecho de escribir sobre él fue como una especie de catarsis. Después de esta breve introducción es menester coger el toro por los cachos.
Como se expuso anteriormente, las fuentes de energía de nuestro planeta están rebozando la copa evolutiva, por decirlo de alguna manera. Entonces, se ha hecho inminente un cambio de perspectiva con respecto a la forma de atacar el problema, pues siendo optimistas, a nuestra especie aún le quedan muchas generaciones por venir, y es perentorio buscar soluciones, las cuales se deben buscar en el conocimiento científico; es decir, se deben concebir en la mente humana. Así pues, la energía por fusión nuclear hace su aparición en el escenario mundial. Recordemos que actualmente las centrales termonucleares se basan en el proceso opuesto, la fisión, la cual también revisaremos más adelante.
UN CORTO PASEO POR LA ESCUELA
Créanme que es necesario una breve disección de algunos conceptos, a la vieja usanza de nuestros profesores de antaño, para así tornar un poco más amable el posterior desarrollo del tema, de por sí denso para el común de los mortales. Soy muy consciente de ello.
Los ladrillos del universo
Empecemos por lo más básico, como si estuviéramos en la primera clase de ciencias naturales de nuestra etapa escolar. En este orden de ideas, es mi obligación refrescar los conocimientos primarios sobre el átomo y sus respectivos componentes.
Ya hace 2500 años, los filósofos griegos Demócrito y Leucipo, padres de la física de partículas, se devanaban los sesos intentando descifrar los intríngulis de la composición de la materia, y luego de darle muchas vueltas al asunto llegaron a la conclusión de que ésta se componía de un elemento indivisible y eterno, al cual bautizaron átomo (del griego: a= sin y tomo= división) Mucho tiempo después, en la década del treinta del siglo pasado para ser más exactos, el físico y químico neozelandés Ernest Rutherford derrumbó ese concepto, pues descubrió que existían partículas aún más pequeñas, que de hecho componían al átomo mismo, tales como el protón (partícula de carga positiva), electrón (partícula de carga negativa) y neutrón (partícula sin carga). Luego, treinta años después, el nobel de física estadounidense, Murray Gell Mann, se topó en su laboratorio con unas partículas mucho más pequeñas, que a su vez fundan a los protones, neutrones y electrones, las cuales recibieron el nombre de quarks. Hasta la fecha siguen siendo consideradas como las partículas más elementales del universo.
Todo en este mundo, en apariencia simple, es dominado por el caos y la anarquía, y nada allí escapa a la vorágine que representan los feroces encuentros entre las ínfimas formas que lo constituyen. Son tan increíblemente pequeñas, que un átomo de hidrógeno al lado de un grano de café equivale a comparar un balón de fútbol con la tierra. Y aquí no terminan las sorpresas, pues ese mismo átomo de hidrógeno es cien millones de veces más grande que un quark, la semilla del universo mismo. ¡Éstas son las maravillas que nos ofrece la naturaleza!
La partícula de Dios
Aprovechando este momento de divulgación científica, quisiera hacer una mención muy especial a la más reciente integrante de la familia subatómica, la denominada “partícula de Dios”, el bosón de Higgs, llamada así en honor al físico inglés Peter Higgs, quien propuso su existencia. Se trata, nada y nada menos, de la partícula fundacional del universo, la madre de todos los elementos, la cual se encarga de otorgarle masa a las partículas elementales (protón, neutrón, electrón, quark, etc.). Como el tema daría para extenderse largamente, trataré de sintetizarlo de la mejor manera posible. El universo está formado por un campo absoluto e invisible a nuestra simple vista, denominado campo de Higgs, el cual, a su vez, está compuesto de partículas esenciales, denominadas bosones de Higgs. Resulta que todas las partículas elementales de la naturaleza se deben cruzar con dichos bosones; unas más, otras menos. En este orden de ideas, en la medida que una partícula interactúe con los bosones de Higgs, adquirirá mayor o menor masa, según sea el caso. De ahí que un fotón (la partícula portadora de la luz), el cual interactúa de manera discreta con estos bosones, tiene masa casi cero y velocidad elevadísima (3000.000 Km/s); en cambio, los quarks, los cuales interactúan intensamente con los bosones en cuestión, tienen masa elevada y por consiguiente velocidad muy baja. Para aterrizar este concepto, algo difuso, les expongo el siguiente ejemplo: Hay un salón de clase (éste representa el campo de Higgs) repleto de niños (éstos representan los bosones de Higgs). Supongamos un primer escenario: Entra el profesor del curso (éste representa el fotón), el cual pasa libremente entre los niños a un ritmo acelerado, pues éstos se abren a su paso. De esta forma se observa que su masa se torna muy baja y su velocidad, alta. Todo esto en términos cuánticos. Luego imaginemos un escenario muy diferente: Entra un artista famoso (éste representa el quark), el cual es abordado por los niños con el fin de lograr un autógrafo, impidiéndole el paso. Es en este momento cuando el artista famoso (el quark) adquiere masa, la cual es otorgada por la gran bola de niños (los bosones de Higgs) que se suma a su andar. Observemos también, como su velocidad se reduce considerablemente (de acuerdo a la famosa ecuación de Einstein: E=MC*2). Y así como se desarrollan los hechos en este hipotético salón de clases, el universo es testigo, segundo a segundo, de esta danza cósmica, pero a escalas que nuestros sentidos ni siquiera alcanzan a percibir.
El poder de lo oculto
Ahora pasemos a otro asunto, para hacer más digerible la exposición: las cuatro fuerzas o interacciones fundamentales de la física. Primero tenemos la interacción gravitacional, cuyo partícula portadora (bosón) es el gravitón, aunque según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, la gravedad debe ser observada, más bien, como una deformación del espacio tiempo. Ésta es la fuerza que nos atrae hacia el piso y la que mantiene en su órbita a los planetas del sistema solar. Luego está la interacción electromagnética, cuya partícula portadora es el fotón. Ésta es la fuerza que interviene en la formación de la corriente eléctrica. Después está la interacción nuclear fuerte, cuya partícula portadora es el gluón. Ésta es la fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico, evitando que salgan disparados, debido a la repulsión electrostática que deberían experimentar, pues partículas del mismo signo se repelen (en cambio los electrones giran alrededor del núcleo, describiendo orbitas elípticas y caóticas) Por último está la interacción nuclear débil, cuyos portadores son los bosones W y Z. Ésta es la fuerza que interviene en la radiación nuclear. De estas cuatro fuerzas básicas, la gravitacional y la electromagnética son las más familiares para el ciudadano de a pie. Incluso, se piensa erróneamente que la gravedad es una fuerza colosal, y no hay nada más equivocado. Prueba de ello es el hecho de que para vencerla solo sea necesario un mínimo esfuerzo: un pequeño salto hacia arriba. Para que se hagan una idea de su real magnitud, supongamos que en vez de la fuerza de gravedad que nos rige en la tierra, fuéramos gobernados por la fuerza electromagnética. Entonces, una persona promedio pesaría lo mismo que diez millones de soles. Más adelante comprobaremos el verdadero poder de la interacción nuclear fuerte (aún cien veces más intensa que la electromagnética) cuando estudiemos más a fondo la fusión nuclear, nuestra invitada especial.
La dinámica de la materia
Para terminar con este repaso, recordemos los cuatro estados de la materia: líquido, sólido, gaseoso y plasmático. Detengámonos en este último, pues los otros tres saltan a la vista. El estado plasmático de un gas se da a partir de su exposición a elevadísimas temperaturas. Algunos ejemplos claros de esta manifestación los podemos observar en la llama de una vela, la sustancia de un rayo y en el sol mismo. De hecho, la mayor parte del universo se encuentra en este estado de agregación.
ENERGÍA A PARTIR DEL CONOCIMIENTO
Ahora sí, adentrémonos en esta delirante aventura por los terrenos de la fusión nuclear. No se dejen amedrentar por el término tan rimbombante. Es cuestión de un poco de análisis y de sentido común para dejarse envolver. Justo ahora es cuando adquiere su real dimensión la expresión que recitábamos en la escuela en el curso de química: “La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Harta razón tenía el científico francés Antoine Lavoisier en su Ley de la conservación de la materia. Ya veremos el porqué.
La Fusión nuclear consiste en unir dos núcleos atómicos ligeros (Hidrógeno y helio son los más recurrentes) para formar uno más pesado. El hecho a destacar es que la suma del peso por separado de cada núcleo es mayor que el peso del núcleo resultante de la unión. O dicho de una manera más cristiana, en la unión de los dos núcleos se presenta una pequeña pérdida de masa en función de una considerable ganancia de energía. Este fenómeno es el principio esencial de la dinámica de todas las estrellas, incluido nuestro sol. Veamos cómo: En el sol constantemente se dan reacciones de este tipo, dada la elevada presión que ejerce su centro de gravedad sobre los billones de partículas que lo conforman (hidrógeno y helio principalmente), de tal suerte que éstas se proyectan a velocidades muy cercanas o iguales a la de la luz (300.000Km/s), colisionando unas con otras y fusionándose en un espectáculo sideral, cuyo defecto de masa se ve reflejado en una ganancia astronómica de energía, la cual se manifiesta en calor y radiación de luz, tal como lo percibimos desde la tierra. Dicho en otras palabras, la brillantez que observamos de nuestro sol es fiel reflejo de su constante pérdida de masa, lo que nos indica que su existencia tiene un límite. Pero tranquilos que aún faltan cinco mil millones de años, aproximadamente, para que ocurra dicho evento.
Una cosa es la fusión nuclear que se presenta de manera espontánea en los cuerpos celestes, donde las condiciones de temperatura, presión y densidad son ideales, muy diferentes a las que se presentan en la tierra. Es por eso que la empresa se antoja faraónica, pero ya hay pistas que auguran un futuro brillante. Primero aclaremos que en la actualidad la única energía, desde el conocimiento, que se ha desarrollado a un nivel más o menos importante es la que se logra a partir de la fisión nuclear, la operación inversa.
La fisión nuclear consiste en separar dos núcleos pesados (Uranio y plutonio son los más empleados) mediante un bombardeo constante de neutrones (sacando provecho de su ausencia de carga), logrando, de esta manera, núcleos más ligeros y propiciando una reacción en cadena que deriva en una gran descarga de energía. El gran problema de este tipo de energía es la radiación que se desprende del proceso, pues el uranio y el plutonio son altamente radiactivos. El momento más crítico ocurrió en 1986 cuando explotó un reactor nuclear en la central de Chernobyl en Ucrania, debido a fallas humanas. Otro de los hitos en la historia atómica reciente, fue el modelo científico que se empleó en la construcción de la bomba atómica que borró, casi de manera instantánea, a gran parte de Hiroshima y Nagasaki en Japón. Sin embargo, más allá de cierto tipo de provecho desde el punto de vista de la carrera armamentista, la fisión nuclear no ofrece las garantías necesarias para convertirse en la energía limpia que la sociedad moderna reclama. Además, aún está lejos de ser rentable, pues su relación beneficio – costo a duras penas es de 2 a 1, mientras que la lograda a partir de la fusión nuclear está en el orden de 10 a 1, y eso que aún está en etapa experimental.
…Y EMPIEZA LA ODISEA
Retomando el tema, para lograr en el laboratorio la fusión nuclear que se da de manera natural en las estrellas, se necesitan conjugar muchos factores claves, los cuales empezaremos a desgranar uno a uno.
Hidrógeno a la carta
Como primer paso se debe seleccionar la materia prima. Esta es la parte más sencilla del proceso, pues solo basta copiar el menú que ofrece nuestro astro rey: hidrógeno y helio. Así pues, la fusión más factible se presenta en los isótopos del hidrógeno en su forma más básica, el deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones). De la unión de estos dos elementos se forma el helio (dos protones y dos neutrones), un neutrón libre y un gran saldo de energía a favor. Lo más prometedor del asunto es que el deuterio se puede extraer del agua de los océanos y el tritio se puede sintetizar a partir del litio, el cual también abunda en nuestro planeta. En este sentido, si logramos dominar la tecnología de fusión nuclear, tendríamos energía para cientos de miles de años, sin tener que voltear nuestra mirada hacia el fondo de la madre tierra, tal como lo hemos venido haciendo sin el menor recato. Sumado a todo esto, tenemos que el hidrógeno y el helio son gases inocuos y no generan radiactividad, contrario al uranio y plutonio que intervienen en la fisión, razón por la cual se hacen más viables para las nuevas exploraciones científicas.
Jugando a pegar núcleos
El segundo paso consiste en tratar de unir los núcleos atómicos de los isótopos de hidrógeno. Pero surge el primer gran obstáculo: la repulsión electrostática entre protones (según la ley de Coulomb, cargas de signos iguales se repelen y de sentidos contrarios se atraen) se hace más intensa a medida que éstos se acercan (la ley de Coulomb también postula que la fuerza electromagnética es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de los cuerpos que interactúan). Sin embargo, existe una fuerza mucho más poderosa en la naturaleza, la reina de todas: la interacción nuclear fuerte, la cual solo es válida en distancias extremadamente pequeñas, del orden de 1 femtómetro – Fm – a lo sumo. Para que se ubiquen, 1 Fm equivale a dividir un metro en un millón de partes, y luego, dividir nuevamente una millonésima parte en un millón de partes nuevas. Y es en estos minúsculos dominios, casi en la frontera de la nada, donde la fuerza electromagnética pierde su jurisdicción a manos de la interacción nuclear fuerte. Ya entrados en gastos, la única salida a esta encrucijada es tratar de acercar los núcleos atómicos lo suficiente como para favorecer la fusión, acelerándolos de tal forma que logren desarrollar velocidades descomunales que permitan romper la inercia del sistema. ¿Pero cómo conseguirlo? La solución está en el cuarto estado de la materia: el plasma.
Las maravillas del plasma
El tercer paso consiste en convertir el gas a un estado plasmático, ya que a medida que se va calentando este medio, las partículas que viajan en él van adquiriendo una mayor velocidad. Recordemos que cuando un átomo absorbe calor, inmediatamente lo transforma en energía cinética, por lo que es claro que a mayor temperatura mayor será la velocidad alcanzada. Y es en estas velocidades cuando los núcleos logran vencer la repulsión electrostática, dando lugar a la anhelada fusión nuclear. Es importante destacar que en estos choques brutales los electrones que orbitan el núcleo atómico se desprenden de éste, ionizando (cargando eléctricamente) el medio, requisito fundamental para la unión de las partículas. Para lograr este estado plasmático se debe calentar el gas de interés a altas temperaturas, mediante la inducción de una corriente eléctrica elevada, la cual se inyecta desde grandes transformadores de potencia diseñados para tal fin. Pero aquí no terminan los problemas: Luego de conseguido el plasma, cómo hacemos para llevarlo a temperaturas aún mucho mayores, por encima, incluso, a las registradas en el núcleo del sol.
Imitando al sol
Como cuarto paso, se debe recrear la temperatura solar para así calentar el plasma (hidrógeno a altas temperaturas), pero a una escala de 1 a 10, dada la diferencia abismal de masa y presión de nuestro planeta con respecto al sol. La temperatura en el núcleo del sol es aproximadamente de 15 millones de grados Celsius, por lo que la temperatura a alcanzar en el reactor será de 150 millones de grados Celsius, tarea nada fácil. Pero la mente humana es tan extraordinaria que solo basta que surja una necesidad para que aparezca el órgano al rescate. Para tal fin se deben implementar súper aceleradores de partículas, alimentados de generadores eléctricos de alta potencia que inducen una corriente eléctrica que viaja a través de un campo magnético, con el fin de proyectar una lluvia dirigida de elementos subatómicos cargados que impacten sobre las partículas de la formación plasmática, generando calor por fricción, y así poder dar, ahora sí, inicio a la fusión nuclear (es el mismo principio de funcionamiento de un horno microondas, pero a menor escala). Pero aún tenemos una última, y no menor, muralla: cómo y en dónde almacenamos semejante calor, pues no existe en la naturaleza un material capaz de soportar temperaturas tan extremas. Una vez más la ciencia tiene la solución
Una solución salomónica
El último paso radica en diseñar un medio capaz de soportar el plasma hirviendo a una temperatura superior a 150.000 veces la de un volcán en plena erupción. En la actualidad se plantean dos soluciones: el Confinamiento magnético, que se basa en campos electromagnéticos, y el inercial, que se fundamenta en la emisión de rayos láser. Pero concentrémonos en el confinamiento magnético, que es el de mayor experimentación en la actualidad. Para poder llevar a cabo este proceso es necesario generar un gran campo electromagnético, el cual se distribuye de manera uniforme en un toroide (una especie de pandequeso o dona) de dimensiones industriales, con el fin de que el plasma nunca toque las paredes del mismo. Para que se hagan una idea, aunque la figura geométrica sea otra, imagínense implementar superficies súper imantadas, con iguales intensidades magnéticas, en las seis caras de un cubo, y luego soltar un objeto de metal en su centro de masa, dando como resultado que éste se mantenga flotando en el interior del recipiente. Ya retomando el caso de la fusión, en vez del cuerpo metálico tendremos grandes volúmenes de plasma (una especie de estado gelatinoso) flotando en el interior de la “dona” gigante (los llamados reactores nucleares), gracias a la acción de las líneas magnéticas que actúan a modo de barreras invisibles. Es importante señalar que el proyecto líder a nivel mundial de este tipo de tecnología es el ITER – en español: Reactor Termonuclear Experimental Internacional -, el cual es conformado por Rusia, Japón, China, India, Europa, Corea del sur, Canadá y EEUU. A la fecha los avances son prometedores, pero solo hasta 2050 se podrán ver resultados más contundentes.
Nada más lejos de la ciencia ficción
Así como la fusión nuclear ha permitido al hombre soñar con un futuro de infinitas posibilidades, también existen otras ramas de la física de los átomos que se presentan como alternativas a la hora de revelar los secretos que esconden estas diminutas entidades de la materia, llevándonos a terrenos insospechados. Tal es el caso de la teleportación cuántica, la cual permite transferir información cuántica entre dos partículas, sin necesidad de crear un puente físico entre ambas. Su campo de aplicación principal estaría en las supercomputadoras del futuro, capaces de resolver problemas complejos en tan solo fracciones de segundo. Otro caso puntual, pero aún en etapa embrionaria, es la polémica teoría de cuerdas, la cual busca unificar todas las leyes de la naturaleza en una sola ecuación, el sueño inconcluso de Einstein. Pero sus postulados son tan traídos de los cabellos que generan amplia resistencia en la comunidad científica, pues para cerrar dicha ecuación se basan en varias situaciones hipotéticas, tales como suponer universos paralelos formado por finas cuerdas en vez de partículas puntuales; proponer una partícula más veloz que la luz: el taquión; concebir once dimensiones solo perceptibles en el mundo subatómico, las cuales según su nivel de interacción entre ellas inducen una frecuencia determinada a cada cuerda, ocasionando una vibración específica que las hace ver como partículas puntuales. En fin, es una teoría plagada de conjeturas y harto complicada, que ni siquiera puede ser comprobada experimentalmente en el laboratorio. No en vano, aún no ha podido liberarse del incómodo estatus de pseudo ciencia. El tiempo se encargará de darle el lugar que se merece en los anaqueles de la historia.
EN BÚSQUEDA DE LA PANACEA CUÁNTICA
A pesar de los grandes avances en la materia, la ciencia, y en especial la física cuántica, aún tiene un largo camino por recorrer. La filosofía del programa de fusión nuclear se basa en la obtención de los mayores dividendos posibles a partir de una coherente inversión inicial de capital, pues para poner en marcha toda esta parafernalia se requiere desplegar una energía enorme, que se traduce en grandes sumas de dinero, así como en la mancomunión de la sociedad científica internacional. En este sentido, este tipo de tecnología espera ver la luz a mediados del siglo en curso. Hasta entonces, solo nos resta esperar con paciencia a que aquello que alguna vez formó parte de nuestras elucubraciones más remotas se materialice definitivamente… Ah, y me disculpan por esa incómoda sensación de vacío que pueden estar experimentado algunos de ustedes, tratando de penetrar en aquel indescifrable microcosmos que se escapa a nuestros sentidos, pero que ya una vez decodificado se deja apreciar con toda su perfección y belleza.