¿Qué es la energía de plasma? Generación de energía renovable y libre de carbono

¿Qué es la energía de plasma? Generación de energía renovable y libre de carbono

La energía de plasma se produce cuando la fusión tiene lugar en un entorno controlado y magnetizado.

Artículo traducido por Juan Pablo Dávila del portal web Conservation Institute.

¿Que es el plasma?

El plasma es el cuarto estado de la materia, un gas en el que está presente una suficiente cantidad de energía para permitir la coexistencia de iones y electrones. La evidencia científica sugiere que el plasma es en realidad el estado más común de la materia en el universo, y el plasma incluso está presente en la tierra. El factor distintivo entre plasma y gas es que el plasma se ha energizado hasta el punto en que algunos electrones se liberan y continúan viajando con su núcleo.

Los objetos celestes brillantes, como el sol y las estrellas, son alimentados por la fusión de plasma. La fusión del hidrógeno en el núcleo del sol tiene lugar a una temperatura de 14 millones de kelvin. Reproducir fusión de plasma en la superficie de la Tierra requiere generalmente temperaturas más altas y presiones más bajas. Investigaciones recientes en universidades y laboratorios de todo el mundo indican que este proceso puede reproducirse y que la energía generada puede aprovecharse como una fuente de energía limpia y renovable. Este método de generación de energía se le conoce como “capturar una estrella en un frasco”

La energía de fusión involucra plasma es una fuente renovable atractiva porque por un lado, los combustibles fósiles y otras fuentes de energía no sostenibles se agotan con el tiempo. Otros métodos renovables que están creciendo en popularidad, como la energía solar o la eólica, actualmente no pueden producir energía a una concentración equivalente.

¿Cómo se produce la fusión de plasma?

Para generar energía a través de la fusión de plasma, científicos deben construir contenedores en los cuales se puedan producir y mantener condiciones intensas que se asemejen a las cualidades de la energía generada por el sol. La demanda de materiales para los recipientes y las paredes son elevadas, por lo que la composición del plasma y de los materiales de los recipientes, al igual que el diseño de los mismos son esenciales. Para producir energía utilizando plasma, un recipiente debe permanecer intacto durante el proceso de fusión, y el plasma debe permanecer limpio.

La creación de un potente campo magnético es una parte integral de la construcción de contenedores adecuados para experimentos de fusión. Uno de los diseños más comunes es un tokamak; consiste en una cámara de vacío magnetizada con forma toroidal que contenía hidrógeno y un dispositivo eléctrico que por fuertes descargas ioniza el gas hasta llevarlo al estado plasmático y confinar el plasma a elevadas temperaturas. Los reactores de fusión están diseñados utilizando diferentes materiales y componentes para alterar la potencia de salida final del plasma mediante el control de las interacciones entre el plasma, la pared y el contenedor. La mayoría de los principales desafíos que los investigadores han encontrado en los últimos años tienen que ver con las interacciones plasma-superficie. Las PSIs describen la interacción entre el plasma, las paredes y otros materiales dentro de un ambiente confinado y magnetizado.

En este momento, las máquinas de confinamiento magnético de pulso corto como TFTR (Tokamak fusion test reactor) o JET (Joint European Torus) ya han demostrado que es factible medir la fusión que tiene lugar en el plasma. La energía de plasma todavía no ha generado suficiente energía para compensar la cantidad consumida en la producción de las condiciones necesarias para que se produzca la fusión. La potencia del plasma sólo está empezando a alcanzar el punto en el que puede funcionar durante un corto período de tiempo -aproximadamente un poco más de un minuto- a un nivel de rendimiento eficiente.

¿Quién realiza la investigación sobre la fusión por plasma?

La investigación del plasma actualmente se centra en el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (por sus siglas en inglés ITER) ubicado en el sur de Francia. Este proyecto está patrocinado conjuntamente por la Unión Europea, Japón, Corea, India, Rusia, China y los Estados Unidos. La construcción del Tokamak ITER comenzó en 2013, y se espera que la instalación esté terminada en 2021. Los experimentos de plasma están programados para comenzar en 2025. La dirección de este proyecto de investigación también tiene planeado desarrollar la primera demostración comercial de una central eléctrica de fusión, DEMO (Demostration Fusion Power Station), y llevar a cabo experimentos completos de fusión de deuterio-tritio a partir de 2035.

El Departamento de Energía de los Estados Unidos comenzó a contribuir primordialmente al ITER en 2016. Durante los años anteriores, esta agencia federal financió la investigación de la energía de fusión en varias universidades líderes en investigación líderes de todo el país, incluyendo el “Plasma Science and Fusion Center” del MIT (Massachusetts Institute of Technology). El tokamak Alcator C-Mod en el MIT alcanzó temperaturas de hasta 35 millones de grados centígrados, aproximadamente el doble de calor que emite el centro del sol, mientras que el contenedor del tokamak permaneció intacto. Este método de generación de energía de fusión se basaba en un proceso llamado resonancia iónica ciclotrónica que se realiza al mover el plasma dentro del tokamak. Las antenas envían ondas de radio a frecuencias que excitan partículas en el plasma.

El plasma utilizado en los experimentos en el MIT usualmente consiste  en un aproximado de 95% de iones de deuterio, que combinan protones y neutrones, así como alrededor del 5% de iones de hidrógeno o protones. Antes de la cancelación del proyecto en 2016, los investigadores del centro de Ciencia del Plasma y Fusión también estaban experimentando con la introducción de una cantidad muy pequeña de helio-3 en el plasma para lograr mayores resultados en la generación de energía. Los primeros experimentos descubrieron que la presencia de menos del uno por ciento de este tercer tipo de iones aumentaba significativamente la producción de energía, y estos resultados se replicaron posteriormente en uno de los dispositivos de fusión más grandes de Europa.

Otros experimentos importantes de energía de fusión en todo el mundo incluyen el dispositivo de energía de fusión Wendelstein 7-X en Alemania. Este reactor, también llamado “estelarizador”, depende del plasma de hidrógeno y libera energía producida por la fusión de los núcleos de átomos más ligeros con átomos más pesados. El plasma en este dispositivo alcanza temperaturas de hasta 80 millones de grados centígrados y produce helio inofensivo como producto de desecho. Incluso un experimento más reciente es el reactor coreano superconductor Tokamak de investigación avanzada, mantuvo el plasma de alto rendimiento en un estado estable durante 70 segundos a finales de 2016. El reactor KSTAR del Instituto Nacional de Investigación de la Fusión de Corea del Sur, es otro reactor tokamak en el que las gotas de plasma alcanzan temperaturas de hasta 300 millones de grados Celsius.

Algunas compañías están experimentando con el uso de fuentes de combustible más diversas para producir subproductos que tienen otros usos sostenibles. La compañía británica Advanced Plasma Power combina la gasificación y los tratamientos con plasma en un proceso patentado llamado “Gasplasma”. Este proceso convierte la basura y los residuos no reciclables en combustible derivado de residuos, específicamente un gas de síntesis rico en hidrógeno. El gasplasma también produce una sustancia inerte que APP llama “Plasmarok” y que se comercializa como material de construcción. La compañía transfiere el gas de síntesis crudo a un dispositivo de conversión de plasma donde el calor superior a los 8.000 grados centígrados y la luz ultravioleta se combinan para agrietar las sustancias de alquitrán y descomponer los materiales carbonizados. APP también está trabajando en el desarrollo de métodos para convertir el gas derivado de residuos en biocombustibles avanzados como el biometano comprimido.

¿Cuáles son algunos de los efectos conocidos de la energía de plasma?

En los últimos 10 años, instituciones académicas y gubernamentales de todo el mundo han financiado estudios en múltiples escalas sobre la IPE y la generación de energía de fusión. Este método de generación de energía se considera seguro siempre y cuando los recipientes magnetizados que contienen el plasma permanezcan contenidos. Muchos métodos tienen subproductos y desechos inofensivos o incluso útiles. En general, la fusión nuclear produce muy pocos residuos en comparación con la fisión. Se ha demostrado que el gran número de neutrones de alta velocidad producidos durante la fusión pueden ser absorbidos por el litio y reciclados para producir más combustible.  Investigaciones adicionales pueden llevar a que el plasma se convierta en una fuente de energía importante en el futuro.

En la actualidad, la física del plasma sigue siendo en gran medida experimental y teórica, al menos cuando se trata de generar energía en la Tierra. Investigadores líderes han expresado su confianza en que en 10 o más años de investigación y desarrollo en tecnologías de plasma, pared plasmática y tokamak conducirán como resultado a una fuente de energía prácticamente inagotable que no daña el medio ambiente. La fusión puede ser un método muchísimo más eficiente para generar energía renovable a comparación del viento, el sol u otras fuentes naturales en la superficie de la Tierra, ya que la fusión con plasma contenido puede efectuarse en cualquier lugar, independientemente de la ubicación o las condiciones climáticas.

¿Cual es el futuro de la energía de plasma?

A partir de la década de 2030, la fusión de plasma puede llegar a desempeñar un papel fundamental en la satisfacción de las crecientes necesidades energéticas del mundo. Los científicos generalmente están de acuerdo en que el plasma o la energía de fusión no estarán disponibles en la red de distribución eléctrica durante al menos otra década. Experimentos recientes sugieren que con la investigación continúa, el plasma se convertirá eventualmente en una fuente de energía viable. El potencial del plasma es una idea brillante probada en experimentos en todo el mundo. En el futuro, el plasma puede ayudar a resolver crisis energéticas utilizando materiales libres de carbono, sostenibles y mucho más concentrados y poderosos que otras fuentes de energía renovable.

Por ahora, el principal obstáculo para la generación eficiente de energía se encuentra en los PSI de los tokamaks y otros recipientes de fusión especializados. La investigación en materiales y diseño en ITER promete avances que pueden llevar al plasma a convertirse en una fuente de energía viable que reduce nuestra dependencia global de fuentes de energía no renovables que conllevan elevados costes medioambientales y plantean importantes retos a las agendas de conservación. El objetivo principal de esta investigación en curso es comprobar las predicciones y modelar el rendimiento de las mezclas de plasma y los materiales de los recipientes para determinar cómo la fusión de plasma puede impulsar el futuro.

Artículo traducido por Juan Pablo Dávila del portal web Conservation Institute.

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