El avance hacia el sueño largamente anhelado de la energía de fusión —una fuente de energía potencialmente inagotable y sin emisiones de carbono— podría estar a punto de dar un salto espectacular.
El desarrollo de esta fuente de energía sin carbono y sin combustión avanza ahora más rápidamente hacia su materialización gracias a una colaboración entre el MIT y una nueva empresa privada, Commonwealth Fusion Systems. CFS colaborará con el MIT para llevar a cabo una investigación rápida y por etapas que conduzca a una nueva generación de experimentos de fusión y centrales eléctricas basados en avances en superconductores de alta temperatura; un trabajo posible gracias a décadas de financiación del Gobierno federal para la investigación básica.
CFS anuncia hoy que ha atraído una inversión de 50 millones de dólares de la empresa energética italiana Eni para respaldar esta iniciativa. Además, CFS sigue buscando el apoyo de otros inversores. Como parte de esta colaboración, CFS financiará la investigación sobre fusión en el MIT, con el objetivo último de comercializar rápidamente la energía de fusión y crear una nueva industria.
«Este es un momento histórico importante: los avances en los imanes superconductores han hecho que la energía de fusión esté potencialmente a nuestro alcance y ofrecen la perspectiva de un futuro energético seguro y sin emisiones de carbono», afirma el presidente del MIT, L. Rafael Reif. «Mientras la humanidad se enfrenta a los crecientes riesgos de la alteración del clima, me entusiasma que el MIT se una a aliados de la industria, tanto de larga data como nuevos, para avanzar a toda velocidad hacia esta visión transformadora de nuestro futuro compartido en la Tierra».
«Todo el mundo está de acuerdo sobre el impacto que tendrá la energía de fusión y su potencial comercial, pero entonces surge la pregunta: ¿cómo se llega hasta ahí?», añade Robert Mumgaard, director ejecutivo de Commonwealth Fusion Systems, SM ’15, PhD ’15. «Llegamos aprovechando la ciencia que ya se ha desarrollado, colaborando con los socios adecuados y abordando los problemas paso a paso».
La vicepresidenta de Investigación del MIT, Maria Zuber, quien ha escrito un artículo de opinión sobre la importancia de esta noticia que aparece en la edición de hoy de Boston Globe, señala que la colaboración del MIT con CFS requirió un esfuerzo concertado de personas y oficinas del MIT que apoyan la innovación: «Agradecemos al equipo del MIT que trabajó incansablemente para forjar esta colaboración. El liderazgo de la vicerrectora asociada Karen Gleason fue fundamental, al igual que la creatividad, la dedicación y el esmero de la Oficina del Asesor Jurídico General, la Oficina de Programas Patrocinados, la Oficina de Licencias Tecnológicas y la Iniciativa Energética del MIT. Un gran trabajo de todos».
Los imanes superconductores son clave
La fusión, el proceso que alimenta al Sol y a las estrellas, implica que elementos ligeros, como el hidrógeno, choquen entre sí para formar elementos más pesados, como el helio, y liberen enormes cantidades de energía en el proceso. Este proceso solo produce energía neta a temperaturas extremas de cientos de millones de grados Celsius, demasiado altas para que las resista cualquier material sólido. Para resolverlo, los investigadores de fusión utilizan campos magnéticos para mantener en su sitio el plasma caliente —una especie de sopa gaseosa de partículas subatómicas— y evitar que entre en contacto con cualquier parte de la cámara con forma de rosquilla.
La nueva iniciativa busca construir un dispositivo compacto capaz de generar 100 millones de vatios, o 100 megavatios (MW), de energía de fusión. Si todo sale según lo previsto, este dispositivo demostrará hitos técnicos clave necesarios para lograr finalmente un prototipo a escala real de una central de fusión que podría encaminar al mundo hacia una energía con bajas emisiones de carbono. Si se extendieran ampliamente, estas centrales de fusión podrían satisfacer una parte sustancial de las crecientes necesidades energéticas del mundo y reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero que están causando el cambio climático global.
«Hoy es un día muy importante para nosotros», afirma Claudio Descalzi, director ejecutivo de Eni. «Gracias a este acuerdo, Eni da un paso importante hacia el desarrollo de fuentes de energía alternativas con un impacto ambiental cada vez menor. La fusión es la verdadera fuente de energía del futuro, ya que es completamente sostenible, no genera emisiones ni residuos a largo plazo y es potencialmente inagotable. Es un objetivo que estamos cada vez más decididos a alcanzar pronto».
CFS respaldará más de 30 millones de dólares en investigación del MIT durante los próximos tres años mediante inversiones de Eni y otros. Este trabajo buscará desarrollar los electroimanes superconductores de gran diámetro más potentes del mundo, el componente clave que permitirá construir una versión mucho más compacta de un dispositivo de fusión llamado tokamak. Los imanes, basados en un material superconductor que solo recientemente está disponible en el mercado, producirán un campo magnético cuatro veces más intenso que el utilizado en cualquier experimento de fusión existente, lo que permitirá multiplicar por más de diez la potencia generada por un tokamak de un tamaño determinado.
Concebido en el PSFC
El proyecto fue concebido por investigadores del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT, dirigidos por Dennis Whyte, director del PSFC, y Martin Greenwald, subdirector, junto con un equipo que llegó a incluir representantes de distintas áreas del MIT y abarcó disciplinas desde la ingeniería, la física y la arquitectura hasta la economía. El equipo principal del PSFC incluía a Mumgaard, Dan Brunner, PhD ’13, y Brandon Sorbom, PhD ’17 —todos ahora al frente de CFS—, así como a Zach Hartwig, PhD ’14, actualmente profesor adjunto de ciencia e ingeniería nucleares en el MIT.
Una vez que los investigadores del MIT y CFS desarrollen los electroimanes superconductores —algo que se espera que ocurra en un plazo de tres años—, el MIT y CFS diseñarán y construirán con ellos un experimento de fusión compacto y potente llamado SPARC. El experimento servirá para lo que se espera que sea una ronda final de investigación que permita diseñar las primeras centrales de fusión comerciales del mundo capaces de producir energía.
SPARC está diseñado para producir alrededor de 100 MW de calor. Aunque no convertirá ese calor en electricidad, generará, en pulsos de unos 10 segundos, tanta potencia como la que consume una ciudad pequeña. Esa producción sería más del doble de la potencia utilizada para calentar el plasma, lo que permitiría alcanzar el hito técnico definitivo: obtener energía neta positiva de la fusión.
Esta demostración establecería que se puede avanzar hacia el diseño final y la construcción de una nueva central eléctrica de aproximadamente el doble de diámetro que SPARC, capaz de producir una potencia neta comercialmente viable. Esa central se convertiría en la primera central de fusión propiamente dicha del mundo, con una capacidad de 200 MW de electricidad, comparable a la de la mayoría de las centrales eléctricas comerciales modernas. En ese punto, su implementación podría avanzar rápidamente y con poco riesgo, y estas centrales podrían demostrarse en un plazo de 15 años, afirman Whyte, Greenwald y Hartwig.
Complementario a ITER
Se prevé que el proyecto complemente la investigación planificada para una gran colaboración internacional llamada ITER, actualmente en construcción en el sur de Francia, que será el mayor experimento de fusión del mundo. Si tiene éxito, se espera que ITER empiece a producir energía de fusión alrededor de 2035.
«La fusión es demasiado importante para seguir una sola vía», afirma Greenwald, investigador científico sénior del PSFC.
Al utilizar imanes fabricados con el nuevo material superconductor disponible —una cinta de acero recubierta con un compuesto llamado óxido de itrio, bario y cobre (YBCO)—, SPARC está diseñado para producir una potencia de fusión equivalente a alrededor de una quinta parte de la de ITER, pero en un dispositivo cuyo volumen es de apenas 1/65, afirma Hartwig. Añade que la principal ventaja de la cinta de YBCO es que reduce drásticamente el coste, los plazos y la complejidad organizativa necesarios para construir dispositivos que produzcan energía neta de fusión, y permite la participación de nuevos actores y nuevos enfoques de la energía de fusión en universidades y empresas privadas.
La forma en que estos imanes de alto campo reducen drásticamente el tamaño de las centrales necesarias para alcanzar un nivel de potencia determinado repercute en todos los aspectos del diseño. Los componentes que, de otro modo, serían tan grandes que habría que fabricarlos in situ podrían construirse en fábricas y transportarse en camiones; los sistemas auxiliares de refrigeración y otras funciones podrían reducirse proporcionalmente; y el coste y el tiempo totales de diseño y construcción disminuirían drásticamente.
«Lo que se busca son tecnologías de producción de energía que puedan integrarse bien en la combinación energética que se incorporará a la red dentro de 10 a 20 años», afirma Hartwig. «La red eléctrica se está alejando ahora de estas centrales monolíticas de carbón o fisión nuclear de dos o tres gigavatios. Una gran parte de las instalaciones de producción de energía de EE. UU. tiene ahora una capacidad de entre 100 y 500 megavatios. Para competir con solidez en un mercado feroz, tu tecnología tiene que adaptarse a lo que se vende».
Como los imanes son la tecnología clave para el nuevo reactor de fusión y su desarrollo conlleva las mayores incertidumbres, explica Whyte, el trabajo en los imanes será la fase inicial de tres años del proyecto y se apoyará en los sólidos cimientos de la investigación financiada por el Gobierno federal y realizada en el MIT y otros centros. Una vez demostrada la tecnología de los imanes, el siguiente paso, diseñar el tokamak SPARC, será una evolución relativamente sencilla de los experimentos de tokamak existentes, afirma.
«Al dar prioridad al desarrollo de los imanes», afirma Whyte, profesor de Ingeniería Hitachi America y director del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nucleares del MIT, «creemos que en tres años tendremos una respuesta realmente sólida y mucha confianza para seguir adelante, porque nos estaremos dando la mejor oportunidad posible de responder a la pregunta clave: ¿se puede obtener energía neta de un plasma confinado magnéticamente?».
El proyecto de investigación busca aprovechar los conocimientos científicos y la experiencia acumulados durante décadas de investigación financiada por el Gobierno —incluidos el trabajo del MIT entre 1971 y 2016 con su experimento Alcator C-Mod y sus predecesores— y combinarlos con el dinamismo de una empresa emergente bien financiada. Whyte, Greenwald y Hartwig afirman que este enfoque podría acortar considerablemente el tiempo necesario para llevar la tecnología de fusión al mercado, mientras aún hay tiempo para que la fusión marque una verdadera diferencia en el cambio climático.
Participación del MITEI
Commonwealth Fusion Systems es una empresa privada y se unirá a la Iniciativa Energética del MIT(MITEI) como parte de una nueva alianza entre la universidad y la industria creada para llevar a cabo este plan. Se espera que la colaboración entre MITEI y CFS refuerce la investigación y la enseñanza del MIT sobre la ciencia de la fusión y, al mismo tiempo, contribuya a crear un socio industrial sólido que, en última instancia, pueda estar en condiciones de llevar la energía de fusión a aplicaciones reales.
«MITEI ha creado una nueva modalidad de afiliación específica para empresas emergentes del sector energético, y CFS es la primera empresa que se incorpora mediante este nuevo programa», afirma Robert Armstrong, director de MITEI y profesor Chevron de Ingeniería Química en el MIT. «Además de dar acceso a los importantes recursos y capacidades del Instituto, la afiliación está diseñada para poner en contacto a las empresas emergentes con las empresas energéticas consolidadas y sus amplios conocimientos del sistema energético. Gracias a su participación en MITEI, Eni, uno de sus miembros fundadores, conoció el enorme potencial de SPARC para revolucionar el sistema energético».
Las empresas emergentes del sector energético suelen necesitar una financiación considerable para la investigación que permita desarrollar su tecnología hasta el punto de llevar nuevas soluciones de energía limpia al mercado. Las formas tradicionales de financiación en las primeras etapas suelen ser incompatibles con los largos plazos de desarrollo y las elevadas necesidades de capital, aspectos bien conocidos por los inversores del sector energético.
«Debido a la naturaleza de las condiciones necesarias para producir reacciones de fusión, hay que empezar a escala», afirma Greenwald. «Por eso, este tipo de colaboración entre el ámbito académico y la industria era esencial para que la tecnología pudiera avanzar rápidamente. Esto no es como tres ingenieros que crean una aplicación nueva en un garaje».
La mayor parte de la ronda inicial de financiación de CFS respaldará la investigación y el desarrollo colaborativos en el MIT para demostrar el funcionamiento de los nuevos imanes superconductores. El equipo confía en que podrán desarrollarse con éxito para cumplir los requisitos del proyecto. Aun así, añade Greenwald, «eso no significa que sea una tarea trivial», y requerirá un trabajo considerable de un gran equipo de investigadores. Sin embargo, señala que otros han construido imanes con este material para otros fines, capaces de generar campos magnéticos con el doble de intensidad que la necesaria para este reactor. Aunque esos imanes de alto campo eran pequeños, sí validan la viabilidad básica del concepto.
Además de respaldar a CFS, Eni ha anunciado también un acuerdo con MITEI para financiar proyectos de investigación sobre fusión realizados en el Laboratorio de Innovación en Tecnologías de Fusión del PSFC. Se espera que la inversión en estos proyectos de investigación ascienda a unos 2 millones de dólares en los próximos años.
«Física conservadora»
SPARC es una evolución de un diseño de tokamak que se ha estudiado y perfeccionado durante décadas. Esto incluye trabajos del MIT iniciados en la década de 1970 bajo la dirección de los profesores Bruno Coppi y Ron Parker, quienes desarrollaron el tipo de experimentos de fusión con campos magnéticos de alta intensidad que se han llevado a cabo en el MIT desde entonces y han establecido numerosos récords en fusión.
«Nuestra estrategia es utilizar una física conservadora, basada en décadas de trabajo en el MIT y otros centros», afirma Greenwald. «Si SPARC alcanza el rendimiento esperado, creo que será algo así como el momento de Kitty Hawk para la fusión, al demostrar de forma contundente la producción de energía neta en un dispositivo que puede ampliarse hasta convertirse en una central eléctrica real».
