Un nuevo paso para conseguir la energía de fusión

El pasado 5 de diciembre el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de California realizó un experimento de fusión nuclear por el procedimiento inercial en el que, por primera vez, se generó un 50% más de energía de fusión que energía utilizada para obtenerla. El departamento de Energía del gobierno de Estados Unidos anunció este evento histórico el 13 de diciembre.

Representación de los haces de rayos láser incidiendo en el combustible nuclear. Imagen LLNL

192 haces de láser se concentran en un pequeña cámara donde se encuentra el combustible nuclear formado por los isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio que, llegando a millones de grados de temperatura, se transforman en helio generando la energía de fusión como ocurre en el interior de las estrellas. La energía aportada por los haces láser fue de 2.05 megajulios (MJ) y la obtenida de 3,15 MJ. Es sólo un paso adelante ya que la cantidad de energía obtenida debería ser muy superior, pero demuestra por primera vez la viabilidad de este procedimiento, basado en los rayos láser, que tardará probablemente decenios en proporcionar energía para sustituir la de los combustibles fósiles actuales.

Fuente de información:
National Ignition Facility achieves fusion ignition, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) News. Dic 14, 2022.
https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition

Artículo relacionado de este mismo blog:
¿Llegará a tiempo la energía de fusión? 1 de octubre de 2022.
http://www.deciencia.net/descubrimiento/blog/2022/10/01/llegara-a-tiempo-la-energia-de-fusion/

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Geotermia profunda, energía ilimitada para 2028?

La geotermia a 20 km de profundidad podría ser la solución para disponer de una energía prácticamente ilimitada, la energía del magma terrestre, que permitiría dejar de utilizar combustibles fósiles e incluso energía nuclear. Y podría estar disponible en tan sólo 5 o 6 años. Quaise, empresa nacida en 2018 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), ha realizado pruebas muy positivas de un sistema de perforación mediante ondas milimétricas (microondas de longitud de onda del orden de 1 mm) que permitiría llegar a profundidades en las que se encontrara magma a 500ºC en cualquier punto de la superficie de la Tierra. Así, podría perforarse en los mismos lugares donde se encuentran las centrales térmicas actuales y el vapor generado en profundidad movería las turbinas que mueven actualmente los combustibles fósiles, para producir electricidad. Se dispondría de una fuente de energía prácticamente inagotable y sin inconvenientes medioambientales.

El sistema de perforación de Quaise se basa en el girotrón (gyrotron en inglés), un tipo de tubo de vacío de haz lineal que genera ondas milimétricas mediante electrones acelerados hasta velocidades relativistas. Fue inventado en los años 1970 en el Instituto de Investigaciones Radiofísicas de Nizhni Nóvgorod, Rusia, entonces Unión Soviética. Las ondas milimétricas de alta potencia funden cualquier tipo de roca, dejando un agujero cilíndrico a través del cual se inyecta agua que se convierte en vapor a alta presión y temperatura en contacto con el magma.

Los planes de Quaise, que ha reunido ya 75 millones de dólares para financiar el proyecto, prevén:

  • Para 2024, disponer de la primera plataforma que combinaría la perforación rotatoria convencional para llegar a los primeros 5 km de profundidad con la perforación mediante ondas milimétricas para alcanzar hasta 20 km.
  • En 2026 tener un sistema piloto de geotermia en profundidad de 100 MW de potencia.
  • En 2028, tener la primera planta térmica convencional de combustibles fósiles reconvertida en planta de vapor geotérmico limpio.
Central geotérmica de Reikjanes. Islandia. Foto JL Diez
Salida del agua de refrigeración. Central geotérmica de Reikjanes. Islandia. Foto JL Diez

La geotermia de alta temperatura hace ya años que se utiliza, por ejemplo en Islandia, aprovechando que allí el magma se encuentra a pocos kilómetros de profundidad. La primera foto muestra la central geotérmica de Reykjanes, de 100 MW de potencia que funciona desde 2006. Aprovecha un depósito de fluido salino, similar al agua del mar, que se encuentra a 300 ºC de temperatura a una profundidad de entre 2 y 3 km. Las turbinas, intercambiadores de calor y condensadores de la central van refrigerados por agua de mar bombeada a razón de 4.000 litros/s. La segunda foto muestra el vapor que se produce en el mar en los puntos de salida del agua de refrigeración.

Disponer en cualquier parte de geotermia de alta temperatura en pocos años, como propone Quaise, sólo depende de que tenga éxito el desarrollo del sistema de perforación. Integrar la nueva energía en las centrales convencionales existentes aseguraría una transición muy rápida desde los combustibles fósiles, con lo que se daría un vuelco al cambio climático. Esperamos que el proyecto tenga éxito.

Fuentes de información:

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Nuevo procesador cuántico de IBM

El pasado 9 de noviembre, IBM presentó el nuevo procesador cuántico Osprey con 433 qbits, que más que triplican los del procesador Eagle presentado en 2021. IBM Osprey tiene una capacidad computacional muy superior a la de cualquier ordenador clásico. El número de bits clásicos necesarios para representar un estado de IBM Osprey supera mucho el número total de átomos del universo conocido.

Darío Gil, vicepresidente de IBM y director de investigación, Jay Gambetta, investigador cuántico y Jerry Chow, director del grupo cuántico experimental. Imagen IBM.

En la reunión anual del grupo cuántico de la compañía, IBM Quantum Summit 2022, IBM ha dado a conocer los desarrollos previstos en el futuro inmediato que culminarán en 2025 con un procesador de más de 4.000 qbits. Asimismo, IBM sigue trabajando para mitigar el «ruido de fondo» y controlar los errores que se producen en los ordenadores cuánticos, para lo que es necesario disponer de un gran número de qbits. También ha informado de nuevas incorporaciones a su red cuántica de clientes, su «ecosistema cuántico»: Bosch, multinacional alemana, quiere explorar nuevos usos cuánticos, Vodafone trabajar en criptografía cuántica segura, Crédit Mutuel Alliance Fédérale, banco francés, en servicios financieros y el Campus de Innovación Suizo de Basilea promover proyectos de innovación en computación cuántica.

Hay que esperar ahora la reacción de competidores como Google o China, en la carrera por conseguir el ordenador cuántico que permita pasar a una nueva escala en la capacidad de computación o la seguridad en las comunicaciones.

Artículo relacionado, en este mismo blog: Geoestrategia cuántica

Fuentes de información:
IBM Unveils 400 Qubit-Plus Quantum Processor and Next-Generation IBM Quantum System Two. IBM News Room, Nov 9, 2022
https://newsroom.ibm.com/2022-11-09-IBM-Unveils-400-Qubit-Plus-Quantum-Processor-and-Next-Generation-IBM-Quantum-System-Two

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Química click

El premio Nobel de Química 2022 ha correspondido a K. Barry Sharpless, Scripps Research, La Jolla, CA, USA, Morten Meldal, University of Copenhagen, Denmark y Carolyn R. Bertozzi, Stanford University, CA, USA, por,
«el desarrollo de la química click y la química bioortogonal»,
según declaró la Academia Sueca de Ciencias el pasado 5 de octubre de 2022.

Click reaction: cicloaddición azida-alquino catalizada por cobre. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Química click se refiere a un tipo de reacciones en las que pequeñas moléculas permiten la unión de otras mayores, como las biomoléculas. La forma de generar productos sigue ejemplos de la naturaleza. Las reacciones click se producen muy rápidamente y no generan productos secundarios indeseados. Se han utilizado en síntesis de fármacos y en la detección, localización y caracterización de biomoléculas como las proteínas.

El nombre química click (click chemistry) fue utilizado por primera vez en 1998 por K. Barry Sharpless. Poco después, Sharpless y Meldal presentaron, independientemente uno del otro, la que es la principal reacción click de las conocidas hasta ahora: la cicloadición azida-alquino catalizada por cobre. Es una reacción eficiente, de uso muy general, que se utiliza, por ejemplo, en la fabricación de fármacos o en el mapeo de ADN.

Química bioortogonal es un término utiizado por Carolyn R. Bertozzi desde 2003, para describir aquellas reacciones químicas que tienen lugar dentro de los seres vivos pero sin perturbar los procesos bioquímicos naturales. Es un tipo de química click que desarrolló Bertozzi para caracterizar glicanos, importantes biomoléculas de la superficie de las células. Ahora se utiliza para explorar células y realizar el seguimiento de procesos biológicos. Con esta técnica se han obtenido fármacos contra el cáncer, de los que se están realizando ensayos clínicos.

Enlace bioortogonal entre la biomolécula X y el reactivo Y. Imagen Wikimedia Commons

Es de remarcar que K. Barry Sharpless es la segunda vez que recibe el Nobel de Química. En 2001 fue galardonado «por su trabajo en catálisis quiral de reacciones de oxidación».

Fuentes de información
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2022/
https://en.wikipedia.org/wiki/Click_chemistry
https://en.wikipedia.org/wiki/Bioorthogonal_chemistry
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2001/

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¿Energía de fusión para 2025?

La empresa estatal de energía de Italia, ENI y el Massachusetts Institute of Technology de Estados Unidos, MIT, proyectan tener funcionando en 2025 una planta de fusión construida conjuntamente, en Estados Unidos. Durante la pasada Maker Faire, feria tecnológica de Roma de 7, 8 y 9 de octubre de 2022, Monica Spada, jefe de investigación e innovación tecnológica del ENI, habló de 2025 como el plazo para completar el proyecto que ponga de manifiesto la viabilidad de la energía nuclear de fusión obtenida por confinamiento magnético en el reactor SPARC, tipo tokamak, e incluso dijo que en 2028 podría disponerse ya de un sistema completo de distribución de energía del mismo origen.

Representación del Tokamak para la Maker Faire. Roma. Octubre 2022.
Imagen sacada de https://www.eni.com/en-IT/media/events/maker-faire.html

SPARC, el modelo de tokamak de este proyecto es de tamaño medio comparado con los tokamak existentes, pero con un campo magnético mucho más fuerte. Se espera que tenga una potencia de fusión de 50-100 MW y un factor Q, relación entre la energía obtenida y la energía empleada mayor de 10. El éxito de este modelo sería la primera demostración de ganancia neta de energía y validaría la estrategia de fuertes campos magnéticos conseguidos con los últimos superconductores de alta temperatura.

Un hito muy importante para este proyecto se logró el 5 de septiembre del año pasado, 2021, cuando el MIT y la empresa Commonwealth Fusion Systems, CFS, consiguieron un campo magnético de 20 tesla, el mayor campo magnético nunca conseguido en estos ingenios, necesario para confinar el combustible nuclear, deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno, a suficiente temperatura como para provocar la fusión. Utilizaron nuevos materiales superconductores a alta temperatura que se comercializan desde hace pocos años y permiten mayor intensidad de campo magnético en menos espacio. Otras instalaciones del mismo tipo, como el ITER, el mayor proyecto internacional de fusión, que se construye en Cadarache, Francia, utilizan superconductores de bajas temperaturas, lo que hace más complicada la construcción y la utilización.

Articulo relacionado en este blog: ¿Llegará a tiempo la energía de fusión?

Fuentes de información:

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Nobel de 2022 para la comunicación cuántica

Alain Aspect (Université Paris-Saclay y École Polytechnique, Palaiseau, France), John F. Clauser (J.F. Clauser & Asoc., Walnut Creek, CA, USA) y Anton Zeilinger (University of Vienna, Austria), pioneros de la comunicación cuántica , han sido galardonados hoy, 4 de octubre, con el premio Nobel de física.

Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger. Imágenes Wikimedia Commons

En los últimos 6 años se han producido grandes avances en comunicación cuántica, tecnología que aprovecha las asombrosas características de la física cuántica para mejorar la rapidez y seguridad de las comunicaciones. Una de estas características es la propiedad llamada entrelazamiento, según la cual dos o más partículas son descritas por un único estado cuántico combinado de todas, y no por distintos estados como partículas individuales. Como consecuencia, la modificación de una partícula causa instantáneamente la modificación de las demás, aunque se encuentren separadas una gran distancia. Utilizando en las comunicaciones partículas a las que se haya dotado de esta propiedad, por ejemplo fotones, se logra que las comunicaciones sean absolutamente seguras. Una comunicación interceptada por un agente extraño (hacker) alterará alguna de estas partículas y será percibida de inmediato porque alterará también las demás que estén entrelazadas dentro del sistema de comunicación. Aspect, Clauser y Zeilinger trabajaron por separado, desde los años 70 del pasado siglo, en experimentos que utilizaban las propiedades cuánticas y sentaron las bases de los desarrollos posteriores.

Entanglement. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Uno de los países más avanzados en comunicación cuántica es China, que dispone de una red que integra la comunicación convencional y la cuántica con una longitud total de 4.600 km entre Pekín y Shanghái. Jianwei Pan, que realizó el doctorado con Anton Zeilinger en Viena, es el líder de esta tecnología en China.

Artículo relacionado:
http://www.deciencia.net/descubrimiento/blog/2021/10/01/geoestrategia-cuantica/

Fuentes de información:
The Nobel Prize in Physics 2022. Press release. 4 October 2022.
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/

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¿Llegará a tiempo la energía de fusión?

Imagen Wikimedia Commons

Si no se detiene o se reduce sustancialmente el consumo de combustibles fósiles, que representan el 83,1% de la energía primaria utilizada como combustible (2020), el cambio climático se acelerará, aumentando en más de 2 ºC la temperatura media de la superficie de la Tierra, aumentará la frecuencia de desastres climáticos, subirá el nivel del mar, . . . Pero sustituir los combustibles fósiles no está resultando fácil, puesto que las energías renovables los sustituyen sólo parcialmente y la energía nuclear no cuenta con la confianza de la sociedad para jugar un papel más importante que el que juega actualmente.

¿Aparecerá una nueva fuente de energía que nos permita substituir los combustibles fósiles? ¿Será la energía nuclear de fusión esta nueva energía? Yuval Noah Harari en su libro Sapiens contesta la pregunta de forma optimista: «¿Por qué hay tanta gente preocupada porqué se pueda agotar la energía, si cada pocas décadas descubrimos una nueva fuente de energía?»

El proyecto ITER, el mayor proyecto internacional de desarrollo de energía nuclear de fusión, se empezó a construir en Cadarache, Sur de Francia, en 2007. Prevé que en diciembre de 2025 conseguirá producir el primer plasma y en 2035 podría empezar las operaciones con el combustible nuclear, formado por deuterio y tritio. ITER se basa en el confinamiento magnético, que consiste en mantener el combustible nuclear en un reducido espacio mediante potentísimos campos magnéticos.

En los últimos meses, sin embargo, ha habido novedades en la energía de fusión por la vía del otro procedimiento, el del confinamiento inercial, que utiliza potentes láseres para concentrar el combustible nuclear. HB11, compañía australiana o US National Ignition Facility (NIF) de California, han conseguido avances que les hacen pensar en poder disponer de plantas piloto y plantas plenamente operativas en pocos años, muchos menos que el ITER.

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Exoplanetas

Desde hacía muchos años, los científicos sospechaban de o creían en la existencia de los exoplanetas, los planetas situados más allá de nuestro sistema solar. Puesto que existen miles de millones de estrellas similares a nuestro Sol, sólo en nuestra galaxia, y éste tiene planetas, parecía lógico pensar que otras estrellas deberían tener planetas al igual que el Sol. Pero no fue hasta el principio de los años 90 cuando se empezaron a detectar.

En 1990, Dimitar Sasselov, astrónomo de Harvard de origen búlgaro, demostró la presencia de planetas en torno a algunas estrellas. Entre 1988 y 1994 se detectaron algunos exoplanetas orbitando púlsares o un sistema triple de estrellas, pero no fue hasta 1995 cuando se detectó el primer exoplaneta orbitando una estrella del tipo del Sol. Veinticuatro años después y con más de 4.000 exoplanetas descubiertos, la ciencia de los exoplanetas recibe el reconocimiento del Nobel. Michel Mayor (Lausana, Suiza, 1942) y Didier Queloz (Ginebra, Suiza, 1966) ganan el Premio Nobel de Física 2019 por el descubrimiento en 1995 del primer exoplaneta, 51 Peg b, orbitando una estrella del mismo tipo que el Sol, 5 Pegasi, ubicada a 50 años luz de la Tierra.

Izquierda: 51 Pegasi. Astronomy Picture of the Day, December 1, 1995. NASA Image.
Derecha: Estrella 51 a la constel·lació de Pegàs. Imagen Wikimedia Commons

Al igual que Galileo Galilei descubre en 1610 los satélites de Júpiter cuando puede disponer de un telescopio lo suficientemente preciso para verlos, el descubrimiento de los exoplanetas se produce cuando los telescopios y sistemas de detección son capaces de distinguir un cuerpo relativamente pequeño orbitando alrededor de una estrella.

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Las científicas de la vacuna de ARN: Katalin Karikó y Özlem Türeci

Con la detección en Wuhan (Hubei, China), de una neumonía vírica desconocida, el 31 de diciembre de 2019, comienza una pandemia de alcance mundial, como no se había conocido otra igual en un siglo. El 9 de enero de 2020, científicos chinos determinan que la causa es un virus del tipo coronavirus y el día 11 envían a la Organización Mundial de la Salud (OMS) la secuencia genética del nuevo coronavirus.

Wuhan (Hubei, China). Imagen Wikimedia Commons

Desde las primeras noticias, científicos expertos en virus de todo el mundo se ponen a trabajar para encontrar una solución. Pero algunas científicas estaban especialmente bien situadas para comenzar la carrera: Katalin Karikó, desde hacía 30 años había trabajado la idea de fabricar una vacuna basada en el ARN mensajero, Özlem Türeci había fundado la empresa BioNTech y había fichado en 2013 a Karikó.

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Geoestrategia cuántica

Países que juegan sus cartas en el tablero del orden mundial, como Estados Unidos o China, y grandes empresas como Google o IBM, están desarrollando prototipos de ordenadores cuánticos que consiguen realizar en minutos u horas procesos de cálculo que los ordenadores clásicos más potentes tardarían años. En transmisiones cuánticas experimentales, China ha llevado la delantera en los últimos años mediante el satélite Micius, creando una red cuántica que cubre 4.600 km.

Sede del ICFO en Castelldefels, Barcelona, Imagen JL. Diez

En junio de este año, 2021, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Castelldefels, Barcelona, han conseguido un avance clave para hacer un repetidor cuántico que permitiría la construcción de una red cuántica terrestre de comunicaciones. Días después, el centro de investigación de Toshiba Europa en Cambridge, Reino Unido, realizó la primera comunicación cuántica por fibra óptica de más de 600 km de longitud.

La tecnología cuántica es una de las piezas importantes de la geoestrategia mundial. Atendiendo al número de patentes relacionadas con esta tecnología, por países, China es líder con más de 3.000 patentes, seguida por Estados Unidos que tiene casi la mitad y de Japón que tiene una cuarta parte.

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