Física de lo imposible (9 page)

Debido a los problemas de crear una batería portátil y un material de láser estable, no es posible construir una pistola de rayos manual con la tecnología actual. Las pistolas de rayos son posibles, pero solo si están conectadas por cable a una fuente de alimentación. O quizá con nanotecnología podríamos ser capaces de crear baterías en miniatura que almacenen o generen energía suficiente para crear las intensas ráfagas de energía requeridas en un dispositivo manual. Actualmente, como hemos visto, la nanotecnología es muy primitiva. En el nivel atómico los científicos han sido capaces de crear dispositivos atómicos muy ingeniosos, pero poco prácticos, tales como un ábaco atómico y una guitarra atómica. Pero es concebible que a finales de este siglo o en el próximo la nanotecnología sea capaz de darnos baterías en miniatura que puedan almacenar esas fabulosas cantidades de energía.

Los sables de luz adolecen de un problema similar. Cuando se estrenó la película
La guerra de las galaxias
en los años setenta y los sables de luz se convirtieron en un juguete de éxito entre los niños, muchos críticos señalaron que tales artefactos nunca podrían hacerse. En primer lugar, es imposible solidificar la luz. La luz viaja siempre a la velocidad de la luz, no puede hacerse sólida. En segundo lugar, un haz luminoso no termina en medio del aire como los sables de luz utilizados en La guerra de las galaxias. Los haces luminosos se prolongan indefinidamente; un sable de luz real llegaría al cielo.

En realidad, hay una manera de construir una especie de sable de luz utilizando plasma, o gas ionizado supercaliente. Pueden hacerse plasmas suficientemente calientes para brillar en la oscuridad y también cortar el acero. Un sable de luz de plasma consistiría en una vara delgada y hueca que sale del mango, como una antena telescópica. Dentro de este tubo se liberarían plasmas calientes que escaparían a través de pequeños agujeros situados regularmente a lo largo de la varilla. A medida que el plasma fluyera desde el mango hasta la varilla, y a través de los agujeros, crearía un tubo largo y brillante de gas supercaliente, suficiente para fundir el acero. Este aparato se suele conocer como una antorcha de plasma.

Así pues, es posible crear un dispositivo de alta energía que se parece a un sable de luz. Pero como sucede con las pistolas de rayos, sería necesario crear una batería portátil de alta energía. O bien se necesitarían largos cables que conectaran el sable de luz a una fuente de alimentación, o habría que crear, mediante la nanotecnología, una minúscula fuente de alimentación que pudiera suministrar enormes cantidades de potencia.

De modo que aunque hoy es posible crear alguna forma de pistolas de rayos y sables de luz, las armas manuales que se encuentran en las películas de ciencia ficción están más allá de la tecnología actual. Pero a finales de este siglo o en el siguiente, con nuevos avances en la ciencia de materiales y también en la nanotecnología, podría desarrollarse una forma de pistola de rayos, lo que la hace una imposibilidad de clase I.

Para crear un cañón láser Estrella de la Muerte que pueda destruir un planeta entero y aterrorizar a una galaxia, tal como el que se describe en La guerra de las galaxias, habría que crear el láser más potente que se haya imaginado jamás. Actualmente algunos de los láseres más potentes en la Tierra se están utilizando para producir temperaturas que solo se encuentran en el centro de las estrellas. En forma de reactores de fusión, algún día podrían dominar la potencia de las estrellas en la Tierra.

Las máquinas de fusión tratan de imitar lo que sucede en el espacio exterior cuando se forma una estrella. Una estrella empieza como una enorme bola de gas hidrógeno, hasta que la gravedad comprime el gas y con ello lo calienta; las temperaturas llegan a alcanzar niveles astronómicos. En el interior profundo de un núcleo estelar, por ejemplo, las temperaturas pueden ser entre 50 millones y 100 millones de grados centígrados, suficientes para hacer que los núcleos de hidrógeno choquen unos con otros y formen núcleos de helio; en el proceso se libera una ráfaga de energía. La fusión del hidrógeno en helio, en la que una pequeña cantidad de masa se convierte en energía mediante la famosa ecuación de Einstein
E=mc
2
, es la fuente de energía de las estrellas.

Hoy día los científicos ensayan dos maneras de dominar la fusión en la Tierra. Ambas han resultado ser muchos más difíciles de desarrollar de lo esperado.

El primer método se llama «confinamiento inercial». Utiliza los láseres más potentes en la Tierra para crear un pedazo de Sol en el laboratorio. Un láser de estado sólido de neodimio es idóneo para reproducir las temperaturas abrasadoras que solo se encuentran en el corazón de una estrella. Estos sistemas de láser tienen el tamaño de una gran fábrica y contienen una batería de láseres que disparan una serie de haces láser paralelos a través de un largo túnel. Estos haces láser de alta potencia inciden en una serie de pequeños espejos dispuestos alrededor de una esfera; los espejos concentran cuidadosamente los haces láser en una minúscula ampolla rica en hidrógeno (hecha de sustancias tales como deuteruro de litio, el ingrediente activo de una bomba de hidrógeno). La ampolla tiene normalmente el tamaño de una cabeza de alfiler y solo pesa 10 miligramos.

El golpe de luz láser incinera la superficie de la ampolla, lo que hace que la superficie se vaporice y comprima la ampolla. Cuando la ampolla colapsa se crea una onda de choque que llega al corazón de la ampolla y hace subir la temperatura a millones de grados, suficiente para fusionar los núcleos de hidrógeno en helio. Las temperaturas y presiones son tan astronómicas que se satisface el «criterio de Lawson», el mismo criterio que se satisface en las bombas de hidrógeno y en el corazón de las estrellas. (El criterio de Lawson establece que debe alcanzarse un rango específico de temperaturas, densidades y tiempo de confinamiento para desatar el proceso de fusión, sea en una bomba de hidrógeno, una estrella o en un reactor de fusión).

En el proceso de confinamiento inercial se liberan enormes cantidades de energía, y también neutrones. (El deuteruro de litio puede llegar a temperaturas de 100 millones de grados centígrados y una densidad veinte veces mayor que la del plomo). Los neutrones que se emiten desde la ampolla inciden en una capa esférica de material que recubre la cámara, y la capa se calienta. La capa calentada hace hervir agua y el vapor puede utilizarse para impulsar una turbina y producir electricidad.

El problema, no obstante, está en ser capaces de concentrar uniformemente una potencia tan intensa en una minúscula ampolla esférica. El primer intento serio de crear fusión por láser fue el láser Shiva, un sistema láser de veinte haces construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California, que empezó a operar en 1978. (Shiva es la diosa hindú de múltiples brazos, a los que imita el diseño del sistema láser). La actuación del sistema láser Shiva fue decepcionante, pero fue suficiente para demostrar que la fusión por láser es técnicamente posible. El sistema láser Shiva fue reemplazado más tarde por el láser Nova, con una energía diez veces mayor que la de Shiva. Pero el láser Nova tampoco consiguió una ignición adecuada de las ampollas. En cualquier caso, preparó el camino para la investigación actual en la Instalación Nacional de Ignición (NIF), cuya construcción empezó en 1997 en el LLNL.

La NIF, que se supone que estará operativa en 2009, es una máquina monstruosa, consistente en una batería de 192 haces láser que concentran la enorme producción de 700 billones de vatios de potencia (la producción de unas 700.000 centrales nucleares concentrada en una única ráfaga de energía). Es un sistema láser avanzado diseñado para conseguir la ignición plena de ampollas ricas en hidrógeno. (Los críticos han señalado también su obvio uso militar, puesto que puede simular la detonación de una bomba de hidrógeno y quizá hacer posible la creación de una nueva arma nuclear, la bomba de fusión pura, que no requiere una bomba atómica de uranio o plutonio para iniciar el proceso de fusión).

Pero ni siquiera la máquina de fusión por láser de la NIF, que contiene los láseres más potentes de la Tierra, puede acercarse de momento al poder devastador de la Estrella de la Muerte de
La guerra de las galaxias.
Para construir tal aparato debemos buscar en otras fuentes de potencia.

El segundo método que los científicos podrían utilizar para alimentar una Estrella de la Muerte se llama «confinamiento magnético», un proceso en el que un plasma caliente de hidrógeno gaseoso está contenido dentro de un campo magnético. De hecho, este método podría proporcionar realmente el prototipo para los primeros reactores de fusión comerciales. Hoy día, el proyecto de fusión más avanzado de este tipo es el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER).En 2006 un consorcio de naciones (incluidas la Unión Europea, Estados Unidos, China, Japón, Corea, Rusia y la India) decidió construir el ITER en Cadarache, al sur de Francia. Está diseñado para calentar hidrógeno gaseoso hasta 100 millones de grados centígrados. Podría convertirse en el primer reactor de fusión en la historia que genere más energía que la que consume. Está diseñado para generar 500 megavatios de potencia durante 500 segundos (el récord actual es 16 megavatios de potencia durante 1 segundo). El ITER debería generar su primer plasma para 2016 y estar plenamente operativo en 2022. Con un coste de 12.000 millones de dólares, es el tercer proyecto científico más caro de la historia (después del Proyecto Manhattan y la Estación Espacial Internacional).

El ITER se parece a un gran donut, con enormes bobinas enrolladas alrededor de la superficie por cuyo interior circula hidrógeno gaseoso. Las bobinas se enfrían hasta hacerse superconductoras, y entonces se bombea en ellas una enorme cantidad de energía eléctrica, lo que crea un campo magnético que confina el plasma dentro del donut. Cuando este se alimenta con una corriente eléctrica, el gas se calienta hasta temperaturas estelares.

La razón de que los científicos estén tan excitados con el ITER es la perspectiva de crear una fuente de energía barata. El suministro de combustible para los reactores de fusión es agua de mar ordinaria, que es rica en hidrógeno. Sobre el papel al menos, la fusión puede proporcionarnos un suministro de energía inagotable y barato.

Entonces, ¿por qué no tenemos ahora reactores de fusión? ¿Por qué se han necesitado tantas décadas para hacer progresos si el proceso de fusión ya era conocido en la década de 1950? El problema reside en la enorme dificultad de comprimir el combustible hidrógeno de un modo uniforme. En las estrellas la gravedad comprime el hidrógeno en una esfera perfecta, de modo que el gas se caliente uniforme y limpiamente. En la fusión por láser de la NIF, los haces concéntricos de luz láser que incineran la superficie de la ampolla deben ser perfectamente uniformes, y es extraordinariamente difícil conseguir esta uniformidad. En las máquinas de confinamiento magnético, los campos magnéticos tienen polos norte y polos sur; como resultado, comprimir el gas uniformemente en una esfera es extremadamente difícil. Lo mejor que podemos hacer es crear un campo magnético en forma de donut. Pero comprimir el gas es como estrujar un globo. Cada vez que se estruja el globo por un extremo, el aire infla alguna otra parte. Estrujar el globo uniforme y simultáneamente en todas direcciones es un reto difícil. Normalmente el gas caliente se escapa de la botella magnética, toca eventualmente las paredes del reactor y detiene el proceso de fusión. Por eso ha sido tan difícil estrujar el hidrógeno durante más de un segundo.

A diferencia de la generación actual de centrales nucleares de fisión, un reactor de fusión no creará grandes cantidades de residuos nucleares. (Cada central de fisión tradicional produce cada año 30 toneladas de residuos nucleares de un nivel extremadamente alto. Por el contrario, el residuo nuclear creado por una máquina de fusión sería básicamente el acero radiactivo que quedaría cuando el reactor fuera finalmente desmantelado).

La fusión no resolverá por completo la crisis energética de la Tierra en un futuro cercano; según el francés Pierre-Gilles de Gennes, premio Nobel de Física, «Decimos que pondremos el Sol en una caja. La idea es bonita. El problema es que no sabemos cómo hacer la caja». Pero si todo va bien, los investigadores tienen esperanzas de que en menos de cuarenta años el ITER pueda allanar el camino para la comercialización de la energía de fusión, energía que puede proporcionar electricidad para nuestros hogares. Algún día, los reactores de fusión aliviarán nuestro problema energético, liberando con seguridad la potencia del Sol sobre la Tierra.

Pero ni siquiera los reactores de fusión por confinamiento magnético ofrecerían suficiente energía para alimentar un arma como la Estrella de la Muerte. Para eso necesitaríamos un diseño totalmente nuevo.

Hay otra posibilidad para simular un cañón láser Estrella de la Muerte con la tecnología conocida hoy, y es con una bomba de hidrógeno. Una batería de láseres de rayos X que aproveche y concentre la potencia de las armas nucleares podría generar en teoría suficiente energía para activar un dispositivo que podría incinerar un planeta entero.

La fuerza nuclear libera una energía que, para una misma cantidad de material, es unos 100 millones de veces mayor que la liberada en una reacción química. Un trozo de uranio enriquecido no mayor que una pelota de tenis es suficiente para incinerar toda una ciudad y convertirla en una bola de fuego —incluso si solo el 1 por ciento de su masa se ha convertido en energía—. Como ya se ha dicho, hay varias maneras de inyectar energía en un haz láser. La más potente de todas, con mucho, es utilizar la fuerza liberada por una bomba nuclear.

Los láseres de rayos X tienen un enorme valor científico además de militar. Debido a su longitud de onda muy corta pueden utilizase para sondear distancias atómicas y descifrar la estructura atómica de moléculas complejas, una hazaña que es extraordinariamente difícil utilizando métodos ordinarios. Toda una nueva ventana a las reacciones químicas se abre cuando podemos «mirar» los propios átomos en movimiento y su disposición adecuada dentro de una molécula.