fusión nuclear

Imagina un carrusel donde no viajan niños, sino diminutas agujas magnéticas dentro de polvo de diamante. Normalmente estas agujas apuntan en direcciones caóticas y su señal se pierde entre el ruido. Pero si inclinas el carrusel en un ángulo especial y lo iluminas con un láser verde, las agujas comienzan a alinearse en una sola dirección.

Tras una explosión nuclear, el hollín se eleva al cielo. Se asienta muy por encima de las nubes, en la estratosfera, y permanece allí durante años. Este hollín actúa como una cortina densa: retiene parte de los rayos solares y altera parte de la química del cielo.

La luz incide sobre una célula solar y, en su interior, nacen cargas que están 'calientes'. Como una persona después de correr, llevan un exceso de energía. Para entregar corriente al circuito externo, necesitan enfriarse y llegar hasta los bordes del cristal. Si el enfriamiento se demora, parte de la energía se pierde en vano.

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

Cuando dos núcleos atómicos chocan, nace una diminuta bola de fuego. Vive un instante, pero en su interior se suceden épocas enteras: compresión, calentamiento, expansión.

La carrera por la energía de fusión se parece a intentar atrapar un rayo en una botella. Durante décadas, los físicos han luchado por recrear en la Tierra los procesos que alimentan al Sol.

A los tres minutos del Big Bang, el universo tocaba su primera sinfonía. Era la Big Bang nucleosíntesis — la formación de núcleos ligeros, donde cada elemento sonaba con su nota, y el ritmo lo marcaba la expansión del espacio.

En el corazón de cada estrella de neutrones se esconde una sinfonía: una compleja interacción de campos cuánticos y gravedad relativista.

En el núcleo ardiente de una estrella, dos núcleos de helio se acercan como dos bailarines en un escenario abarrotado. Su danza es la dispersión alfa, la base de la combustión estelar de helio. De la fluidez de su giro depende la rapidez con que la estrella quema su combustible. Antes, esta danza se describía de forma simplificada.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

La colisión de dos estrellas de neutrones es una fragua cósmica donde, en cuestión de segundos, se forjan los elementos más pesados de la tabla periódica. En 2017, los detectores captaron ondas gravitacionales de una fusión de este tipo, y los telescopios vieron un destello: una kilonova.

El universo se expande con aceleración, como una masa que sube cada vez más rápido aunque la levadura se acabó hace tiempo. Durante veinte años, los astrónomos han buscado la causa y la llaman energía oscura. Pero qué es exactamente sigue siendo un misterio. El nuevo trabajo propone una fuente inesperada: el vacío dentro del núcleo atómico.

En una olla, el agua hierve: las burbujas burbujean y el calor se escapa rápidamente al aire. En el centro del reactor de fusión ARC, el plasma se comporta de manera similar, solo que en lugar de burbujas hay vórtices turbulentos, y en lugar de aire, un campo magnético que debe retener el calor. Los vórtices estorban: transportan calor hacia afuera y enfrían el plasma.

En abril de 2021, en una galaxia a 35 megapársecs de distancia, estalló la supernova SN 2021foa.

En lo profundo del detector del Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y, por un instante, nace algo pesado. Se desintegra al instante en dos bosones de Higgs, partículas que, como muñecas rusas, esconden en su interior dos pares de quarks b.

Dos estrellas de neutrones dan vueltas en una danza final. Si su giro coincide con el movimiento orbital, los compañeros se fusionan limpiamente, expulsando un chorro estrecho de materia incandescente. Pero si giran en direcciones opuestas, la danza se rompe, esparciendo un denso manto de escombros.

Dos estrellas agotadas del tamaño de la Tierra — pero cada una más pesada que el Sol — giran cada vez más cerca hasta que una choca contra la otra. El impacto desencadena una explosión termonuclear y nace una supernova de tipo Ia. Estos destellos sirven como faros cósmicos para medir distancias en el universo. Sin embargo, los detalles de su origen aún son motivo de debate.

Núcleos atómicos envueltos en esponjosos abrigos de electrones: con semejante ropa, no hay abrazo que valga. Pero cambia el abrigo ligero por uno pesado: el muón, una partícula del modelo estándar, comprime la nube casi 200 veces.

Diminutas balas invisibles atraviesan el Sol de lado a lado, casi sin notar su materia. Son los axiones: partículas hipotéticas tan ligeras y escurridizas que se comparan con fantasmas.

En 2017, los detectores captaron un temblor del espacio: ondas gravitacionales de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los telescopios encontraron de inmediato un destello de luz: una explosión cósmica que los astrónomos llamaron kilonova. En ese caldero de fuego, según se descubrió, nacen los elementos más pesados de la tabla periódica: oro, platino, uranio.

En el interior de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los núcleos atómicos se fusionan en largos filamentos y láminas planas. Los astrofísicos llaman a estas estructuras fideos nucleares. En su superficie, la densidad de la materia cae casi a cero, como si emergieras de un denso gel al aire enrarecido.

El núcleo atómico es un muelle natural de fuerza colosal. Cuando los protones y neutrones de su interior se reorganizan, pasa a un estado especial de larga duración: isómero nuclear. En él se almacena energía, como un muelle comprimido al límite.

Dos estrellas de neutrones —restos de astros muertos, comprimidos hasta el tamaño de una ciudad pero con el peso de todo un Sol— giran una alrededor de la otra y finalmente colisionan. En ese instante nace algo intermedio entre un agujero negro y un imán ultrapotente: un campo miles de millones de veces más fuerte que el del más potente escáner de resonancia magnética.

Una olla de sopa hirviendo burbujea, y uno quiere saber qué tan calientes están las gotas individuales en su interior. Pero el termómetro solo se puede sumergir en el borde, donde ya no hay tanta efervescencia.

Si aprietas un puñado de arena en la mano, primero se compacta, pero luego comienza a resistirse: los granos ya no tienen dónde ir. En el interior de una estrella de neutrones ocurre algo parecido, solo que en lugar de granos de arena hay partículas elementales, y en lugar de la mano, una gravedad monstruosa.

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

Un columpio solo se balancea si lo empujas acompasadamente. Si te desvías un poco del ritmo, el esfuerzo se pierde. De manera similar, la luz interactúa con el núcleo atómico: normalmente un fotón se absorbe solo cuando su energía coincide exactamente con la diferencia entre los niveles nucleares.

Dos estrellas de neutrones se acercan en espiral para fusionarse en un instante. Su danza dura fracciones de segundo, pero justo antes del final, una de las estrellas se incrusta en la envoltura magnética de la otra, como un nadador que corta el agua y levanta olas. En ese momento nace un complejo sistema de corrientes que se llevan la energía.

Dos estrellas de neutrones son los restos superdensos de astros muertos, cada una del tamaño de una ciudad pero más masiva que el Sol. Ya en 1934, su existencia fue predicha por Fritz Zwicky. Una cucharadita de esa materia pesaría miles de millones de toneladas.

El núcleo del átomo de torio-229 es como una cuerda de guitarra tensada: vibra a una frecuencia estrictamente definida. Para «extraer el sonido», se necesita un golpe preciso: un rayo láser de un color muy específico.

La fusión nuclear, la unión de un protón con un núcleo de boro-11, promete una fuente de energía casi ideal: sin flujo de neutrones peligrosos, solo un flujo de partículas cargadas que se puede convertir directamente en corriente eléctrica.

Una tetera se enfría sobre la mesa. El calor se escapa al aire y se desperdicia. Sin embargo, se podría exprimir un poco de electricidad de ese calor. Los dispositivos que logran esto se llaman generadores termomagnéticos. En su interior no hay pistones ni turbinas, solo un material que cambia sus propiedades magnéticas al calentarse y enfriarse.

Una estrella de neutrones es el resto de una estrella que explotó, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. En su superficie a veces estalla un incendio termonuclear: el gas acumulado explota como una bomba de hidrógeno gigante. Tras la llamarada queda ceniza: una mezcla de elementos pesados que asciende a la superficie y forma una atmósfera caliente.

El nitrógeno, ese mismo gas que respiramos, bajo una presión de un millón de atmósferas se comporta como un metal caprichoso. En una cámara de yunques de diamante se comprime hasta 78–98 gigapascales y se calienta con láser hasta 1800–2500 kelvin.

Una trampa magnética con forma de rosquilla confina un plasma de boro e hidrógeno. En su interior, la temperatura supera los cien millones de grados, más que en el centro del Sol. Con ese calor, los núcleos chocan y se fusionan, liberando energía.

Un reactor nuclear convencional se parece a una caldera donde el combustible arde de manera uniforme en todo el volumen. Aquí el panorama es otro: por una barra cilíndrica de carburo de uranio avanza lentamente una onda de fisión: una zona estrecha donde los átomos se dividen y liberan calor.

Cada molécula es como un juego de construcción de átomos: las mismas piezas pueden ensamblarse de maneras distintas. Dos ensamblajes con el mismo conjunto de átomos pero diferente geometría se denominan isómeros. Si uno se obtiene del otro por una simple rotación alrededor de un enlace, se trata de confórmeros, como un brazo doblado y uno estirado.

Cuando una estrella masiva muere, su núcleo se contrae hasta convertirse en una estrella de neutrones y las capas externas se dispersan en una explosión. En ese momento nace una nube de neutrinos increíblemente densa: partículas que casi no interactúan con la materia, pero que se 'comunican' activamente entre sí.

Una estrella de neutrones es el remanente de una estrella que ha explotado, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. En su núcleo, la materia está tan densamente empaquetada que una cucharadita de ese material pesaría como una montaña. A esa densidad, según predice la teoría de las interacciones fuertes, las partículas adquieren 'gemelas': compañeras de paridad.