Pasa la mayonesa: el condimento puede ayudar a mejorar la producción de energía de fusión
La fusión por confinamiento inercial es un método para generar energía mediante fusión nuclear, aunque está plagado de todo tipo de desafíos científicos (aunque se están logrando avances). Los investigadores de la Universidad LeHigh están tratando de superar un problema específico con este enfoque, realizando experimentos con mayonesa colocada en un artilugio giratorio en forma de ocho. Describieron sus últimos descubrimientos en un nuevo articulo publicado en la revista Physical Review E con el objetivo de incrementar la producción de energía de fusión.
El trabajo se basa en investigaciones previas en el laboratorio LeHigh del ingeniero mecánico Arindam Banerjee, que se centra en investigar la dinámica de fluidos y otros materiales en respuesta a una aceleración y una fuerza centrífuga extremadamente altas. En este caso, su equipo estaba explorando lo que se conoce como el «umbral de inestabilidad» de los materiales elásticos/plásticos. Los científicos han debatido si esto se debe a las condiciones iniciales o si es el resultado de «procesos catastróficos más locales», según Banerjee. La pregunta es relevante para una variedad de campos, incluida la geofísica, la astrofísica, la soldadura explosiva y, sí, la fusión por confinamiento inercial.
¿Cómo funciona exactamente la fusión por confinamiento inercial? Como explicó Chris Lee a Ars en 2016:
La idea detrás de la fusión por confinamiento inercial es simple. Para fusionar dos átomos, es necesario poner sus núcleos en contacto entre sí. Ambos núcleos están cargados positivamente, por lo que se repelen, lo que significa que se necesita fuerza para convencer a dos núcleos de hidrógeno de que se toquen. En una bomba de hidrógeno, la fuerza se genera cuando explota una pequeña bomba de fisión, comprimiendo un núcleo de hidrógeno. Este se fusiona para crear elementos más pesados, liberando una enorme cantidad de energía.
Por aburridos que sean, los científicos prefieren no detonar armas nucleares cada vez que quieren estudiar la fusión o utilizarla para generar electricidad. Lo que nos lleva a la fusión por confinamiento inercial. En la fusión por confinamiento inercial, el núcleo de hidrógeno consiste en una bolita esférica de hielo de hidrógeno dentro de una capa de metal pesado. La carcasa está iluminada por potentes láseres que queman una gran parte del material. La fuerza de reacción del material vaporizado que explota hacia afuera hace que el caparazón restante implosione. La onda de choque resultante comprime el centro del núcleo de la pastilla de hidrógeno para que comience a fusionarse.
Si la fusión por confinamiento terminara ahí, la cantidad de energía liberada sería minúscula. Pero la energía liberada debido a la fusión inicial en el centro genera suficiente calor para que el hidrógeno en el exterior del pellet alcance la temperatura y presión requeridas. Entonces, al final (al menos en los modelos de computadora), todo el hidrógeno se consume en una muerte ardiente y se liberan cantidades masivas de energía.
Esa es la idea de todos modos. El problema es que las inestabilidades hidrodinámicas tienden a formarse en estado de plasma; Banerjee compara esto con «dos materiales [that] «penetran entre sí como dedos» en presencia de la gravedad o de cualquier campo de aceleración, lo que, a su vez, reduce la producción de energía. El término técnico es inestabilidad de Rayleigh-Taylor, que se produce entre dos materiales de diferentes densidades, donde los gradientes de densidad y presión se mueven en direcciones opuestas. La mayonesa resulta ser un excelente análogo para investigar esta inestabilidad en sólidos acelerados, sin necesidad de un montaje de laboratorio con condiciones de alta temperatura y presión, porque es un fluido no newtoniano.
“Usamos mayonesa porque se comporta como un sólido, pero cuando se somete a un gradiente de presión, comienza a fluir”. dijo Banerjee.. “Al igual que con un metal fundido tradicional, si le aplicas tensión a la mayonesa, comenzará a deformarse, pero si le quitas la tensión, vuelve a su forma original. Luego, hay una fase elástica seguida de una fase plástica estable. La siguiente fase es cuando empieza a fluir y ahí es cuando comienza la inestabilidad».
Más mayonesa por favor
Los experimentos de su equipo en 2019 implicaron verter Hellman's Real Mayonnaise (no Miracle Whip para este equipo) en un recipiente de plexiglás y luego crear perturbaciones en forma de ondas en la mayonesa. Un experimento implicó colocar el contenedor en una rueda giratoria en forma de ocho y rastrear el material con una cámara de alta velocidad, utilizando un algoritmo de procesamiento de imágenes para analizar el metraje. Sus resultados respaldaron la afirmación de que el umbral de inestabilidad depende de las condiciones iniciales, es decir, la amplitud y la longitud de onda.
Este último artículo arroja más luz sobre la integridad estructural de las cápsulas de fusión utilizadas en la fusión por confinamiento inercial al observar más de cerca las propiedades del material, las condiciones de amplitud y longitud de onda, y la tasa de aceleración de dichos materiales a medida que alcanzan el umbral de inestabilidad de Rayleigh-Taylor. . Cuanto más sepan los científicos sobre la transición de fase de la fase elástica a la estable, mejor podrán controlar las condiciones y mantener una fase elástica o plástica evitando la inestabilidad. Banerjee et al. Pudieron identificar las condiciones para mantener la fase elástica, lo que podría informar el diseño de futuros gránulos para la fusión por confinamiento inercial.
Dicho esto, los experimentos con mayonesa son análogos, órdenes de magnitud alejados de las condiciones reales de la fusión nuclear, lo que Banerjee reconoce fácilmente. Sin embargo, tiene la esperanza de que futuras investigaciones mejoren la previsibilidad de lo que sucede dentro de los gránulos en sus entornos de alta temperatura y alta presión. «Somos un engranaje más en esta rueda gigante de investigadores», el dijo. «Y todos estamos trabajando para hacer que la fusión inercial sea más barata y, por lo tanto, alcanzable».
DOI: Revisión física E, 2024. 10.1103/Rev.Física.109.055103 (Acerca de los DOI).
