La forja del cosmos.

Somos polvo de estrellas.

Carl Sagan

Una joven parte del cosmos que está empezando a conocerse a sí misma.

Nunca me canso de pensar en esa frase. Tiene esa extraña cualidad de no sólo ser extremadamente poética sino también literalmente cierta. Prácticamente todo lo que nos rodea, desde la silla donde nos sentamos hasta el gato que se sienta sobre nuestras piernas y nos nos deja tipear está construido por átomos que fueron creados en el interior de una estrella o cuando ésta estalló violentamente en forma de supernova. El proceso mediante el cual a partir del hidrógeno y helio se consiguen planetas, muebles y lolcats es el de la fusión nuclear.

Todos los átomos están formados por los mismos bloques básicos: protones y neutrones en el núcleo, y una nube de electrones alrededor. Y un elemento químico está definido por la cantidad de protones en su núcleo. Lo único que se necesita para conseguir el sueño de los alquimistas y transmutar un elemento en otro es agregarle o quitarle protones. En la fisión nuclear un elemento pesado se rompe para generar otros más livianos; en la fusión nuclear sucede lo contrario.

El problema es que los núcleos tienen carga positiva y, como los hechos y la homeopatía, se repelen mutuamente. Para fusionarlos, entonces, hay que superar la barrera electrostática que los trata de separar. Hay que juntarlos lo suficiente para que comience a actuar la fuerza nuclear fuerte. ¿Cuánta energía hace falta? La barrera electrostática para la fusión de dos núcleos de hidrógeno es de unos 400 keV (la energía que gana un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de 400.000 voltios).

Pero la gracia de la fusión es lograr que el proceso genere más energía de la que consume. Cuando se produce la fusión de elementos livianos (desde hidrógeno hasta hierro), la masa de los átomos producidos es menor que la de los originales. Esto es como pensar que una casita de Lego pesa menos que la misma cantidad de piezas separadas. La masa que falta es la que se ha transformado en energía mediante la famosa ecuación E=mc².

Para que suceda todo esto son necesarias altísimas presiones y temperaturas. A los 15 millones de grados Celsius del núcleo de una estrella como el Sol los átomos de hidrógeno tienen una energía de unos 1,3 keV – mucho menor que la necesaria para realizar la fusión. La razón por la cual es posible que aún a tan “bajas temperaturas” pueda mantenerse la reacción nuclear es que ésa es la energía sólo del promedio de los átomos. Hay algunos menos energéticos y otros más y sus cantidades relativas están determinadas por la Distribución de Maxwell-Boltzmann. En cualquier gas a cualquier temperatura hay una probabilidad no nula de que haya algún que otro átomo sumamente energético.

Distribuciones Maxwell-Boltzmann para un gas a 3 temperaturas. El eje horizontal es la energía de la partícula y el vertical la cantidad de partículas con esa energía.

Ahora parece que hayamos pasado a otro extremo. De necesitar presiones y temperaturas enormes ahora uno teme que en cualquier momento se desate una reacción nuclear durante el asado del domingo (esto es más o menos lo que creía Richter aunque de eso trataremos más adelante). Pero no hay que temer, ya que para que se produzca una reacción de fusión en cadena no sólo hace falta que haya algunos átomos que se fusionen, sino que es necesario tener una cierta cantidad de ellos haciéndolo. Los que están en el palo llaman a esto los criterios de Lawson. Básicamente lo importante es que el producto de la densidad de un gas, su temperatura y el tiempo que hace falta tenerlo en esas condiciones tiene que se igual o mayor a un determinado número (diferente para distintos elementos). Si la temperatura disminuye a la mitad, o hay que esperar el doble de tiempo o hay que aumentar la presión al doble.

Como vimos,  esta reacción produce más energía de la que consume (es exotérmica). Eso significa, entre otras cosas, que podemos usarla para calentar algo. ¿Y qué nos impide calentar agua y hacerla pasar por un dínamo para generar electricidad? Muchas cosas, aparentemente. Es un chiste recurrente que la fusión nuclear está siempre 20 años en el futuro y es que ésa es la promesa desde hace más de 50 años. Hay una enorme cantidad de desafíos técnicos que impiden que los reactores de fusión sean una realidad. A las enormes presiones y temperaturas hay que sumarle que los neutrones producidos por el proceso dañen el aparato y lo haga radioactivo.

La promesa de energía limpia, barata, segura y virtualmente ilimitada es un caldo de cultivo muy propicio para la incubación de charlatanes, vendedores de humo y demás chantas. Ronald Richter fue uno de ellos pero él fue un adelantado a su tiempo. La fusión fría es una pseudociencia moderna que se popularizó especialmente luego del infame experimento de Pons y Fleischmann a principio de los ’90. Pero eso quedará para otro momento. Como diría Moby, «We are all made of stars«.
La forja del cosmos.