Reactores de fusión nuclear podrían recrear partículas de materia oscura y resolver uno de los mayores misterios del universo

Durante cientos de miles de años de observación celestial, la humanidad desarrolló un marco teórico que explica cómo comenzó el cosmos, cómo se formaron las galaxias y otras estructuras, y por qué el universo se expande, según Popular Mechanics. Sin embargo, persiste una discrepancia flagrante entre lo que este modelo describe y lo que observamos.

Uno de los mayores enigmas es la materia oscura, que los científicos estiman constituye aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia, según la misma fuente. El problema radica en que nunca se ha observado directamente la partícula responsable de esta masa "invisible", aunque se le atribuye ampliamente dar forma y estructura al universo.

La evidencia observacional indirecta de la materia oscura proviene del lente gravitacional: los cúmulos de galaxias distantes doblan o distorsionan más luz de rincones lejanos del universo de lo que parecería razonable dado su masa, según Popular Mechanics. Sin embargo, los científicos están ansiosos por encontrar una partícula de materia oscura porque una partícula física detectable podría revelar mucho más sobre la naturaleza de la materia oscura de lo que actualmente se conoce.

La búsqueda no es simple, ya que uno de los principales candidatos, conocido como axión, es miles de millones de veces más ligero que un electrón, según la fuente. La búsqueda exhaustiva de esta partícula se ha ramificado en muchas direcciones: los investigadores han sondeado interacciones atómicas en el colisionador de partículas más grande del mundo, analizado campos magnéticos fuertes para detectar la posible conversión de un axión en microondas, examinado fotones en las magnetosferas de estrellas de neutrones y aprovechado potentes helioscopios para vislumbrar axiones que teóricamente produce el sol.

Ahora, según un estudio reciente publicado en el Journal of High Energy Physics, Jure Zupan, físico teórico de alta energía de la Universidad de Cincinnati, cree que pronto tendremos una nueva herramienta a nuestra disposición en la gran búsqueda de axiones: los reactores de fusión, según Popular Mechanics. Si bien la misión principal de la fusión sigue siendo la entrega de energía casi ilimitada para quienes están en la Tierra, estos plasmas increíblemente calientes también imitan las condiciones infernales dentro del sol y teóricamente podrían producir las partículas tan buscadas.

En su estudio, Zupan y su equipo no imaginaron un reactor de fusión idealizado, sino que trabajaron con los parámetros establecidos por el intento más ambicioso de la humanidad de embotellar una estrella: el Reactor Termonuclear Experimental Internacional, conocido como ITER, según la fuente. Este experimento en el sur de Francia fusionará tritio y deuterio, dos isótopos de hidrógeno que se combinan a menor temperatura mientras mantienen altos rendimientos de energía, dentro de un tokamak revestido con litio líquido. Si bien la esperanza es que este tipo de reactor algún día demuestre la viabilidad de la energía de fusión nuclear, Zupan dijo que tal máquina también podría producir axiones.

Aunque es más probable que el poder del sol produzca nuevas partículas, Zupan dijo en un comunicado de prensa que "aún se pueden producir en reactores utilizando un conjunto diferente de procesos", según Popular Mechanics.

Existen dos vías donde se podrían descubrir nuevas partículas utilizando un reactor de fusión, según el estudio. La primera se debe simplemente al gran flujo de neutrones generado dentro de un reactor de fusión; ciertas reacciones con las paredes revestidas de litio podrían crear partículas novedosas. Para la energía de fusión, esta interacción es inmensamente importante, ya que estas paredes, o "mantas", criarán tritio, un recurso de fusión mucho más escaso que su contraparte de deuterio. Sin embargo, no es la única partícula que se crearía en el proceso.

"Las interacciones de neutrones con los materiales dentro de la manta de reproducción también pueden resultar en la producción de partículas del sector oscuro", escriben los autores, según Popular Mechanics.

La otra forma es a través de una explosión de energía cuando un neutrón rebota en otra partícula y luego se desacelera repentinamente, lo que se llama bremsstrahlung o "radiación de frenado", según la fuente. Típicamente, este tipo de radiación es una mala noticia para los físicos de fusión, ya que es una forma importante en que los reactores se enfrían y pierden energía. Pero al buscar partículas exóticas, esta energía liberada podría crear axiones o candidatos similares a axiones.

Paralelamente, el Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT (PSFC) mostró su tecnología de imanes superconductores de alta temperatura (HTS), esencial para la energía de fusión y cada vez más relevante para aplicaciones geotérmicas superhot, al representante Jake Auchincloss durante su visita del 12 de marzo, según el MIT.

Los electroimanes de alto campo son necesarios para confinar el plasma en los reactores de fusión, y la tecnología HTS del PSFC permite campos magnéticos dramáticamente más altos, lo que permite diseños de reactores más compactos y rentables, según la misma fuente. La misma tecnología HTS también se puede aplicar a girotrones, que son fuentes de microondas de alta potencia que operan de manera más eficiente a frecuencias más altas, habilitando nuevas aplicaciones energéticas.

Una de esas aplicaciones es la perforación de ondas milimétricas para energía geotérmica superhot, donde la energía de microondas se usa para calentar, derretir o vaporizar roca, según el MIT. Debido a que las tasas de perforación escalan con la potencia de entrada y los costos aumentan menos rápidamente con la profundidad que en la perforación convencional, este enfoque podría superar barreras económicas clave para acceder a recursos geotérmicos profundos y permitir energía limpia escalable de carga base.

El mes pasado, Auchincloss y el representante Mark Amodei presentaron legislación conocida como Hot Rock Act, que promovería la investigación, prueba y desarrollo de energía geotérmica de roca superhot, según la fuente. Y a principios de esta semana, dos senadores estadounidenses introdujeron legislación bipartidista que también ayudaría a acelerar las tecnologías geotérmicas.

Durante la reciente visita de Auchincloss al PSFC, investigadores del MIT explicaron el desarrollo y las pruebas de tecnología en curso para llevar la tecnología de ondas milimétricas del laboratorio al mundo real, según el MIT.

"Después de presentar un proyecto de ley bipartidista para promover la geotermia superhot, visité el Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT para aprender más sobre la ciencia y la ingeniería necesarias para hacer que esta tecnología funcione a escala de servicios públicos. La geotermia superhot usa microondas para derretir roca, yendo mucho más profundo y más caliente de lo que es posible con la perforación de contacto. Esto puede generar energía limpia de carga base en Estados Unidos al este de las Montañas Rocosas, donde la geología convencionalmente no ha sido adecuada para la geotermia industrial", dijo Auchincloss, según la fuente.

"La tecnología todavía está a años de funcionar en un estado con 'roca fría' como Massachusetts, pero el beneficio final para el estado podría ser tremendo. Además de facturas de servicios públicos más bajas, una nueva industria con buenos empleos podría prosperar aquí. De hecho, esto ya está comenzando a suceder, ya que las empresas derivadas del MIT, y los proveedores para estas empresas derivadas, ya se están estableciendo en Massachusetts", dijo, según el MIT.

El personal de la startup del MIT Quaise Energy participó en la visita de Auchincloss al PSFC, según la fuente. Quaise Energy, que tiene una oficina en Cambridge, completó una demostración de perforación exitosa utilizando tecnología de ondas milimétricas basada en girotrones el otoño pasado en Texas. Una de las primeras rondas de financiamiento inicial de la Iniciativa de Energía del MIT (MITEI) proporcionó apoyo para el desarrollo inicial de la tecnología por parte del PSFC en 2008.

La energía geotérmica de roca superhot se refiere a aprovechar temperaturas de casi 400 grados Celsius para generar grandes cantidades de electricidad, según el MIT. Los enfoques de perforación convencionales pueden fallar a las grandes profundidades (varios kilómetros) y altas temperaturas requeridas para alcanzar este recurso geotérmico. La tecnología de perforación de ondas milimétricas inventada en el PSFC y que está siendo comercializada por Quaise Energy podría ser más rápida y más efectiva que la perforación convencional, especialmente a altas temperaturas y grandes profundidades.

El PSFC está planeando una nueva instalación de laboratorio para estudiar más a fondo la perforación de ondas milimétricas y probar mejoras a la tecnología existente, según la fuente.

"Esta iniciativa aprovechará las amplias capacidades del MIT en geofísica, geoquímica, tecnología de ondas milimétricas e inteligencia artificial, junto con la infraestructura existente que incluye energía, agua e instalaciones experimentales. El objetivo es anclar la innovación geotérmica de próxima generación dentro de un ecosistema académico-industrial integrado, acelerando tanto la maduración de la tecnología, reduciendo el riesgo de las vías de implementación y desarrollando la fuerza laboral necesaria", dijo Steve Wukitch, director interino e investigador científico principal del PSFC, según el MIT.

Oliver Jagoutz, profesor de geología Cecil e Ida Green y director del Laboratorio de Recursos Terrestres (ERL), también participó en la visita del congresista al PSFC, según la fuente. ERL se está asociando con PSFC en la instalación de laboratorio planificada para probar la perforación de ondas milimétricas bajo condiciones representativas de presión y temperatura y en muestras de roca realistas.

A principios de este mes, el Simposio de Primavera de MITEI, titulado "Geotermia de próxima generación para energía firme", exploró el estado actual de la industria geotérmica, tecnologías innovadoras y las oportunidades por delante, según el MIT. Durante el simposio, Wukitch se desempeñó como moderador de un panel sobre avances en perforación y describió la instalación de laboratorio planificada del PSFC para pruebas de ondas milimétricas, y Matt Houde de Quaise Energy describió los avances recientes de la compañía y los planes futuros. Al día siguiente, MITEI y el Clean Air Task Force coorganizaron una reunión de empresas miembro de MITEI, empresas geotérmicas de próxima generación e inversores para una Cumbre GeoTech, titulada "Acelerando la tecnología geotérmica, proyectos y flujo de acuerdos".

La fusión ya tiene el potencial de alterar completamente la vida en la Tierra, pero si Zupan y sus colegas tienen razón sobre sus capacidades de producción de axiones, finalmente podría responder preguntas que la humanidad ha intentado resolver durante miles de generaciones, desde una época en que nuestros primeros ancestros miraban el cielo nocturno y se preguntaban: "¿Por qué existe todo esto?", según Popular Mechanics.