Potencia del plasma

Los objetos cotidianos pueden clasificarse en sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, la materia de un rayo, una llama y la Aurora Boreal son algo muy diferente. Cada uno de ellos es un plasma, un gas ionizado. En un plasma los electrones son arrancados de los átomos para producir iones que se mueven libremente. Como los iones y los electrones están cargados, responden a las fuerzas eléctricas y magnéticas e interactúan entre sí también a través de estas fuerzas.

Más allá de la Tierra, los plasmas son ciertamente abundantes. Alrededor del 99% del universo visible es plasma, incluyendo la mayor parte de la materia de las estrellas y la región del espacio alrededor de la Tierra. Este plasma cercano a la Tierra está controlado por el campo magnético de la Tierra, o magnetosfera, Este escudo magnético es particularmente importante ya que ayuda a aislar a la Tierra del viento solar, la corriente de protones y electrones que fluye hacia el espacio desde el sol.

El interior de una estrella es un plasma extremadamente caliente y denso. Los núcleos de hidrógeno de este plasma alimentan los procesos de fusión estelar que proporcionan la energía de la estrella. Aprovechar este mismo proceso aquí en la Tierra satisfaría nuestras necesidades energéticas indefinidamente. Las materias primas, dos isótopos del hidrógeno, están fácilmente disponibles, y el subproducto, el helio, es un gas inerte. El gran reto es mantener en la Tierra las altas temperaturas que se dan en el centro de las estrellas. Todavía no lo hemos conseguido, pero los investigadores de la fusión han hecho progresos constantes en las últimas décadas.

Poder del plasma: La energía de fusión

A medida que aumenta la demanda de energía de las sociedades industrializadas y se hacen evidentes los límites y riesgos de las fuentes de energía convencionales, la energía de fusión es una alternativa cada vez más atractiva. Sin embargo, tras cuatro décadas de investigación, un reactor de fusión que funcione sigue estando a décadas de distancia.

La fusión es difícil de mantener en el laboratorio. Dado que los núcleos de hidrógeno son partículas cargadas, experimentan una fuerte repulsión electrostática, que aumenta rápidamente a medida que los núcleos se acercan entre sí. Para que se produzca la fusión, los núcleos deben chocar entre sí a gran velocidad, lo que requiere una temperatura de 100 millones de grados. A esta temperatura, cualquier contacto con el contenedor lo vaporizaría, por lo que los núcleos, que forman parte de un plasma, deben ser confinados de alguna manera.

Una aproximación es aplicar fuertes campos magnéticos para mantener las partículas cargadas del plasma fuera de las paredes del contenedor. Los contenedores más comunes tienen forma de rosquilla para proporcionar espacio a las partículas del plasma, electrones y núcleos de hidrógeno, para que circulen. Una corriente eléctrica inducida en el plasma crea un campo magnético que ayuda a confinar el plasma.

Plasma Power: Máquinas de Plasma

La primera foto muestra el Reactor de Prueba de Fusión Tokamak (TFTR), un gran dispositivo de fusión operado en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) durante las décadas de 1980 y 1990. El interior del TFTR tenía la forma de un donut (un toroide). Al moverse en una trayectoria circular alrededor del centro del toro, el plasma alcanzaba temperaturas de más de 500 millones de grados, muy por encima de los 100 millones necesarios para la fusión práctica. Lo ideal es que los reactores de fusión comerciales funcionen de forma continua, pero el TFTR se diseñó para funcionar sólo en ráfagas. En una de estas explosiones, su potencia superó los 10 millones de vatios, suficiente para abastecer a más de 3.000 hogares.

Foto cortesía del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton

Con el programa de investigación del TFTR completado, los físicos e ingenieros del PPPL han construido un dispositivo más pequeño y casi esférico, el Experimento Nacional de Toros Esféricos, (NSTX), que se muestra en la segunda foto. Los teóricos creen que la geometría del toro esférico facilitará el confinamiento del plasma y, con el tiempo, proporcionará un método más eficiente para mantener las reacciones de fusión.

Foto cortesía del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton

Enlaces

Princeton Laboratorio de Física del Plasma

• Experiencia Interactiva de Física del Plasma (IPPEX)
• Bases de la fusión
• Tabla de fusión
• Recursos de fusión para estudiantes y profesores

Plasmas Internacional

• Imágenes de plasmas

NASA

• La exploración de la magnetosfera terrestre

Atmósfera solar vista por el Telescopio de Imágenes del Ultravioleta Extremo