La investigación sobre la fusión comenzó con el stellarator, pero dificultades aparentemente insuperables llevaron a la investigación a centrarse en otro concepto: el tokamak.
El stellarator podría resurgir gracias a que el concepto de cuasisimetría, los avances en la computación de alto rendimiento y las tecnologías de fabricación le han permitido alcanzar un hito, mientras que el tokamak ha sufrido un revés.
La inversión en fusión se está intensificando, y el 93 % de las empresas cree que la electricidad de fusión llegará a la red en la década de 2030 o antes.
El resurgimiento del vehículo eléctrico podría resultar similar a otra fuente de innovación, esta vez en la ciencia de la fusión.
Recordemos cómo los vehículos eléctricos se desarrollaron aproximadamente en la misma época, e incluso más rápido y mejor que los vehículos de combustión interna, gracias a varias ventajas inherentes, como ser silenciosos y fáciles de conducir; su trayectoria cambió con el Ford Model T. El nuevo vehículo de combustión estaba disponible a bajo coste y en grandes cantidades, y durante mucho tiempo los coches eléctricos desaparecieron.
Pasaron casi 90 años hasta que Toyota llevó al mercado el automóvil híbrido Prius en 1997 y otros 11 años antes de que Tesla produjera su Roadster. Desde entonces, una auténtica fiebre de investigación y una amplia gama de nuevos modelos eléctricos han llegado al mercado. Hoy, el vehículo eléctrico es, una vez más, la opción preferida por los consumidores.
El mismo resurgimiento puede observarse con los orígenes de la investigación sobre la fusión en el stellarator, que fue sustituido por el tokamak debido a dificultades aparentemente insuperables en aquel momento.
Breve historia del stellarator
El científico estadounidense Lyman Spitzer desarrolló la idea del stellarator en 1951. El Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) se creó a partir de sus ideas.
Los investigadores intentaron resolver el mayor problema de la investigación sobre fusión de la época, la «deriva» (cuando el plasma queda aislado de un conductor eléctrico), mediante una disposición específica del tubo magnético que generaba un campo magnético retorcido, obligando a las partículas del plasma a alternar entre el interior y el exterior del tubo. Esta disposición permitiría que el plasma se confinara el tiempo suficiente para que se produjera la fusión.
El concepto de stellarator era una solución elegante a un problema fundamental de la investigación sobre fusión, pero resultaba difícil construir un dispositivo de este tipo con la precisión necesaria. En 1968, los científicos de la Unión Soviética publicaron los resultados de sus máquinas tokamak, que eran más sencillas de fabricar, ya que parte de la jaula de campo magnético se crea mediante una fuerte corriente que fluye en el plasma.
Tras confirmar estos resultados iniciales, el PPPL decidió en 1969 pasar del stellarator a un diseño tokamak, una decisión importante a la que siguieron otros científicos que trabajaban en proyectos de fusión en todo el mundo.
El largamente esperado renacer del stellarator
Mientras la investigación sobre tokamaks crecía a escala mundial, un puñado de proyectos siguió explorando el diseño del stellarator. El problema clave que había que resolver era el de confinamiento que mostraban los primeros conceptos de stellarator.
En 1983, Allen Boozer, del PPPL, introdujo la cuasisimetría, un tipo de simetría continua en la intensidad del campo magnético de un stellarator. Esta idea le ayudó a diseñar un stellarator más simétrico, mejorando su confinamiento. Jürgen Nührenberg, del Instituto Max Planck de Física de Plasmas (IPP) de Alemania pudo demostrar posteriormente que esta cuasisimetría existía y que, potencialmente, podía construirse.
El primer gran proyecto basado en estos nuevos hallazgos fue el Wendelstein 7-AS, en el IPP. Otros proyectos destacados son el Helically Symmetric Experiment (HSX) en Estados Unidos y el Large Helical Device en Japón.
Estos proyectos despertaron un nuevo interés por el concepto de stellarator, lo que culminó en el Wendelstein 7-X. En diciembre de 2017 estableció un nuevo récord mundial de stellarator en productos de fusión. En febrero de 2023 alcanzó un hito al lograr una transferencia de energía de 1,3 gigajulios, con una descarga que duró un récord de ocho minutos. Mientras tanto, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que logró un avance en la fusión a finales del año pasado, sufrió un revés, ya que desde entonces cinco disparos similares han fracasado.
¿Por qué es este el momento de los stellarators?
En primer lugar, el concepto de cuasisimetría descrito anteriormente fue un auténtico cambio de paradigma, cuya importancia no puede subestimarse. Dos avances adicionales fueron cruciales para el regreso del diseño de stellarator: los avances en la computación de alto rendimiento y en las tecnologías de fabricación.
Las dificultades para diseñar bobinas por las que circula corriente y que producen los campos magnéticos necesarios para confinar plasmas con el fin de generar energía de fusión han sido determinantes desde el inicio de la investigación sobre plasmas confinados magnéticamente en la década de 1950. Este desafío fue especialmente cierto en los stellarators, cuyas configuraciones de bobinas son más complejas que las de los tokamaks. Pero con los avances en computación, este problema de diseño se ha reducido significativamente. Y aunque el diseño de las bobinas de los stellarators sigue siendo más complicado, gracias a la computación avanzada, esto no coloca al stellarator en desventaja.
Tras el diseño computacional, la bobina debe construirse. Y durante mucho tiempo, fabricar bobinas de stellarator con la precisión requerida supuso un gran problema, lo que colocaba al stellarator en otra desventaja. Pero los avances recientes en las tecnologías de fabricación, en particular la fabricación aditiva, resuelven muy bien este problema.
¿Hacia dónde vamos a partir de ahora?
Los investigadores están volviendo a centrar su atención en el diseño del stellarator. En enero de 2021, David Gates pronunció una charla sobre el regreso del stellarator en una de las conferencias Science on Saturday del PPPL.
Además, las startups de carácter comercial que llevan la energía de fusión del laboratorio a la red han surgido, dos de ellas con stellarators: Renaissance Fusion en Europa y Type One Energy en Estados Unidos. Y, como se ha argumentado anteriormente, solo las startups pueden llevar la tecnología profunda fuera del laboratorio, porque las instituciones de investigación y las grandes empresas no tienen incentivos para invertir en tecnología profunda. A pesar de los problemas de financiación del pasado, las mejoras han impulsado más inversión, con la paradoja de la inversión en tecnología profunda, un informe que estima que las inversiones en tecnología profunda podrían superar los 200 000 millones de dólares en 2025.
Los multimillonarios tecnológicos Bill Gates, Jeff Bezos, Peter Thiel, Marc Benioff y Vinod Khosla se mostraron convencidos rápidamente y un análisis de McKinsey muestra que la inversión privada en energía de fusión se ha disparado en los últimos 20 años, y que el valor de las inversiones casi se triplicó en 2021.
Según el informe The Global Fusion Industry in 2022, el 93 % de las empresas cree que la electricidad de fusión llegará a la red en la década de 2030 o antes (frente al 83 % en 2021).
Como muestra la historia del vehículo eléctrico, un resurgimiento tecnológico puede llevar tiempo y puede requerir demostrar avances en campos afines; por ejemplo, el coche eléctrico trajo avances en baterías de alta capacidad y en motores eléctricos de bajas pérdidas. Y el resurgimiento del stellarator traerá consigo computación avanzada y fabricación aditiva.
