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Física

El universo 2D propicia la fusión nuclear

En los sistemas bidimensionales, las posibilidades de que los átomos de hidrógeno se fusionen y generen energía son mil millones de veces mayores

La reacción que alimenta al Sol y a las estrellas se produciría más fácilmente en un entorno similar a una lámina de grafeno

Sdo/Nasa Vía Getty Images

En un escenario hipotético donde tan solo existen dos dimensiones en lugar de tres y, en lugar de electrones, son muones –partículas elementales con carga eléctrica negativa similar a la de los electrones, pero 207 veces más pesadas– los que orbitan el núcleo de los átomos de hidrógeno, las chances de que ocurran reacciones de fusión nuclear se incrementan alrededor de mil millones de veces. Estos cálculos constan en un estudio teórico publicado en diciembre de 2020 por científicos del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF, por sus siglas en portugués) y de la Universidad del Estado de Río de Janeiro (Uerj) en la revista científica The European Physical Journal D. “En el mundo bidimensional, la tasa de fusión nuclear aumenta de manera fantástica”, comenta el físico de partículas Francisco Caruso, del CBPF, autor principal de este trabajo. Más allá del uso de muones en lugar de electrones, sería esa alteración espacial la que aparentemente vuelve más factible el proceso, al menos según los cálculos de los científicos, y acaso incluso a temperatura ambiente.

La fusión nuclear, un proceso que tiene lugar en las estrellas como el Sol para generar su energía, viene estudiándose desde hace más de 80 años como una posible forma alternativa para generar electricidad de manera segura y sostenible, con una mínima producción de residuos y baja radiactividad, a diferencia de la fisión (rotura) nuclear, que se emplea en las centrales atómicas actuales. En el centro de las estrellas, sometidas a temperaturas de 15.000 grados Celsius y presiones descomunales, los núcleos de dos o más átomos de hidrógeno, el elemento químico más liviano de la tabla periódica, se fusionan y generan un átomo levemente más pesado, de helio. Al cabo de ese proceso, se libera energía. Esto ocurre porque el peso del átomo de helio es ligeramente menor que la suma de la masa de los dos átomos de hidrógeno. Esta discrepancia hace que una cantidad pequeña de masa escape de la estrella a altas velocidades y produzca energía, tal como lo demuestra la famosa ecuación de Einstein: E=mc2 (la energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz).

Sin embargo, hasta ahora no se ha hallado una forma económicamente factible de reproducir esta reacción en la Tierra. En todos los reactores experimentales construidos, en cuyo interior circula un plasma (un estado de la materia similar a un gas dotado de partículas con carga eléctrica) supercaliente sometido a un intenso campo magnético, la energía necesaria para promover la fusión siempre es mayor que la liberada al final del proceso. Las condiciones singulares simuladas en este nuevo trabajo pueden indicar un camino alternativo, aunque la construcción de un aparato o dispositivo de fusión nuclear capaz de explotar las peculiaridades físicas de un entorno bidimensional constituye todo un reto para la ingeniería. “Pese a que todavía no existe un artefacto capaz de observar esta reacción en sistemas de dos dimensiones, el acelerador de partículas Triumf, en Canadá, está utilizando blancos muy delgados, que se emplean para estudiar la fusión catalizada por muones”, comenta el físico Felipe Carvalho, uno de los autores del estudio, quien actualmente realiza su doctorado bajo la dirección de Caruso y Vitor Oguri, de la Uerj.

Desde finales de la década de 1940, los físicos saben que la fusión entre las llamadas moléculas o átomos muónicos, en las que estas partículas más pesadas reemplazan a los electrones, es más frecuente que en su versión convencional. Cuando el muon asume el papel del electrón, el átomo que se forma es mucho más denso. La distancia entre su núcleo, donde se encuentran los protones y los neutrones, y su entorno habitado por muones es unas 200 veces menor que en el átomo constituido por electrones. Esta peculiaridad permite que los átomos muónicos se ubiquen bastante más cerca unos de otros y, naturalmente, su potencial de fusión es más elevado. Con todo, por sí sola, esta mayor predisposición a promover ese tipo de reacción no es suficiente para superar el obstáculo habitual que plantea la fusión con los átomos tradicionales, dotados de electrones: la viabilidad económica. En el caso de la fusión catalizada por muones, el gasto energético para estimular este proceso también es mayor que la energía generada. Los muones son extremadamente inestables (duran unos 2 milisegundos) y su producción e inyección en un sistema son costosas.

Según consta en el estudio de los físicos del CBPF y de la Uerj, esta limitación de los átomos muónicos de hidrógeno puede eludirse si dicha fusión fuera estimulada  en un sistema bidimensional en lugar del entorno tridimensional tradicional. En el universo 2D, la predisposición a la producción de esta reacción sería una particularidad producto de esta configuración espacial más restringida, en la que se mantendrían los átomos de hidrógeno muónico. En este caso, las propiedades fisicoquímicas de la materia sufrirían un efecto similar al que presentan los denominados materiales bidimensionales, como las láminas de grafeno, por ejemplo, y sus derivados.

Al igual que el grafito y el diamante, el grafeno está compuesto únicamente por átomos de carbono. Lo que le confiere propiedades muy disímiles a las que exhiben esos dos materiales tridimensionales es su estructura hexagonal, conformada por colmenas de carbono interconectadas, con un grosor de un átomo de este elemento químico. “Nuestro estudio sugiere que, desde un punto de vista teórico, un sistema bidimensional, similar a una lámina de grafeno, podría producir la fusión de los átomos muónicos de hidrógeno de manera muy eficiente”, dice Caruso.

Según Ricardo Galvão, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), el artículo de sus colegas de Río de Janeiro presenta un resultado básico de gran importancia y, en principio, introduce la posibilidad de utilizar sistemas bidimensionales en experimentos de fusión catalizada por muones. “Pero la aplicación práctica de este resultado no es una cuestión trivial y requerirá estudios y desarrollos mucho más avanzados”, comenta Galvão, experto en física de plasmas. “En concreto, no se sabe cómo montar un reactor con esas ‘láminas’ muónicas”. El físico de la USP también explica que, tras producirse las primeras fusiones, es posible que un hipotético sistema en 2D se “desmonte” como resultado de las reacciones y pase a ser tridimensional, una modificación de la arquitectura espacial que anularía las eventuales ganancias de esa estrategia. “Este es un problema que deben resolver los ingenieros interesados en el tema”, dice Caruso.

Artículo científico
CARUSO, F. et al. A bidimensional quasi-adiabatic model for muon-catalyzed fusion in muonic hydrogen molecules. The European Physical Journal D. v. 74. 8 dic. 2020.

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