Los 10 kilómetros superiores de la corteza terrestre contienen vastas reservas geotérmicas, esencialmente a la espera del consumo de energía humana para comenzar a aprovechar su inagotable producción de energía, que en sí misma no produce gases de efecto invernadero. Y, sin embargo, las fuentes geotérmicas actualmente producen sólo tres décimas del uno por ciento de la electricidad mundial. Esta prometedora fuente de energía se ha visto limitada durante mucho tiempo por los extraordinarios desafíos que supone perforar agujeros lo suficientemente profundos como para acceder al intenso calor debajo de la superficie de la Tierra. Ahora, una empresa derivada del MIT dice haber encontrado una solución en una tecnología innovadora que podría reducir drásticamente los costos y plazos de perforación a profundidades fantásticas. Quaise Energy, con sede en Cambridge, Massachusetts, planea desplegar lo que se llama taladros girotones para vaporizar rocas usando potentes microondas. “Necesitamos profundizar y calentar más para que la energía geotérmica sea viable fuera de lugares como Islandia”. —Carlos Araque, Quaise Energy Un girotrón utiliza tubos de vacío de haz lineal de alta potencia para generar ondas electromagnéticas de longitud milimétrica. Inventados por científicos soviéticos en la década de 1960, los girotones se utilizan en experimentos de investigación de fusión nuclear para calentar y controlar el plasma. Quaise ha recaudado 95 millones de dólares de inversores, incluido el japonés Mitsubishi, para desarrollar tecnología que le permitiría perforar rápida y eficientemente a 20 km de profundidad, más cerca que nunca del núcleo de la Tierra. Quaise Energy ha desarrollado un prototipo de girotrón portátil, que planean realizará pruebas de campo a finales de este año. Quaise Energy “La energía geotérmica supercrítica tiene el potencial de reemplazar los combustibles fósiles y finalmente darnos un camino hacia una transición energética hacia una energía de carga base libre de carbono”, dice el director ejecutivo de Quaise, Carlos Araque, un veterano. de la industria del petróleo y el gas y ex director técnico de The Engine Accelerator, la plataforma del MIT para comercializar tecnologías que cambian el mundo. «Necesitamos profundizar y calentar más para que la energía geotérmica sea viable fuera de lugares como Islandia». El agujero más profundo creado por el hombre, que se extiende a 12.262 metros bajo la superficie de Siberia, tardó casi 20 años en perforarse. A medida que el pozo se hizo más profundo, el progreso disminuyó a menos de un metro por hora, un ritmo que finalmente disminuyó a cero cuando se abandonó el trabajo en 1992. Ese intento y proyectos similares han dejado claro que las perforadoras convencionales no son rival para las altas temperaturas. y presiones profundas en la corteza terrestre. Las microondas se encuentran con las rocas “Pero un haz de energía no tiene ese tipo de límites”, dice Paul Woskov, ingeniero de investigación senior en el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT. Woskov pasó décadas trabajando con potentes haces de microondas, dirigiéndolos a ubicaciones precisas para calentar combustible de hidrógeno por encima de los 100 millones de grados e iniciar reacciones de fusión. “No fue un gran salto establecer la conexión de que si podemos fundir cámaras de acero y vaporizarlas , podríamos derretir rocas”. —Paul Woskov, MIT“Ya sabía que estas fuentes eran bastante dañinas para los materiales porque uno de los desafíos es no derretir la cámara interna de un tokamak”, un dispositivo que confina un plasma usando campos magnéticos. «Así que no fue un gran salto establecer la conexión de que si podemos fundir cámaras de acero y vaporizarlas, podríamos derretir rocas». En 2008, Woskov comenzó a estudiar intensamente si el enfoque podría ser una mejora asequible en la perforación mecánica. La investigación condujo a experimentos prácticos en los que Woskov utilizó un pequeño girotrón para destruir ladrillos de basalto. Basándose en sus experimentos y otras investigaciones, Woskov calculó que una fuente de ondas milimétricas apuntada a través de una guía de ondas de aproximadamente 20 centímetros podría hacer estallar una pelota de baloncesto. agujero de tamaño grande en la roca a una velocidad de 20 metros por hora. A ese ritmo, 25 días y medio de perforación continua crearían el agujero más profundo del mundo. “Era evidente que si pudiéramos hacerlo funcionar, podríamos perforar agujeros muy profundos por una fracción muy pequeña de lo que cuesta. ahora”, afirma Wóstov. Aunque a Wostov se le acredita como fundador de Quaise, dice que no tiene ningún interés financiero en la empresa, a diferencia del MIT. Una ola de posibilidades El diseño de Quaise requiere un tubo de metal corrugado que sirva como guía de ondas, que se extraería una vez completada la perforación. . El sistema dependería de gas inyectado para enfriar y sacar las cenizas. «En lugar de bombear fluido y girar un taladro, quemaremos y vaporizaremos roca y extraeremos gas, que es mucho más fácil de bombear que el lodo». —Carlos Araque, Quaise Energy“Necesitaremos alrededor de un megavatio para alimentarlo, la misma cantidad de energía que una típica plataforma de perforación”, dice Araque. ”Pero lo usaremos de maneras muy diferentes. En lugar de bombear fluido y girar un taladro, quemaremos y vaporizaremos roca y extraeremos gas, que es mucho más fácil de bombear que lodo”. El uso de la guía de ondas para dirigir la energía a la roca objetivo permite que la fuente de energía permanezca en la superficie. . Puede parecer exagerado, pero el concepto fue probado en un experimento de la década de 1970 en el que Bell Labs construyó un medio de transmisión de guía de ondas de 14 km en el norte de Nueva Jersey. Los investigadores descubrieron que podía transmitir ondas milimétricas con muy poca atenuación. Quaise pretende dirigirse en primer lugar a clientes industriales que necesitan vapor con un caudal, temperatura y presión garantizados. «Nuestro objetivo es igualar las especificaciones de una carga industrial», dice Araque. «Pueden retirar la caldera y les daremos vapor a 500 °C en el lugar». Con el tiempo, la compañía espera que la tecnología pueda habilitar nuevas plantas eléctricas geotérmicas o permitir que las turbinas que antes se calentaban con combustibles fósiles se reutilicen para abastecer la red. con un estimado de 25 a 50 megavatios de electricidad de cada pozo. La compañía planea comenzar demostraciones de campo este otoño, utilizando un dispositivo prototipo para perforar agujeros en roca dura en un sitio en Marble Falls, Texas. A partir de ahí, Quaise planea construir un plataforma de demostración de tamaño completo en una zona altamente geotérmica en el oeste de Estados Unidos. Quaise Energy perforó un agujero de 254 centímetros (100 pulgadas) de profundidad con un diámetro de 2,5 cm en una columna de basalto, lo que la hace 100 veces la profundidad del original del equipo. pruebas, realizadas en el MIT.Quaise EnergyEnfrentando las profundidadesAunque los datos de laboratorio han demostrado la viabilidad de ampliar el enfoque, es probable que los obstáculos técnicos al plan Quaise sean más profundos que su radical método de perforación.“Si realmente pueden perforar un pozo de 10 km agujero utilizando microondas de alta potencia, será un importante logro de ingeniería”, dice Jefferson Tester, que estudia la extracción de energía geotérmica en yacimientos de roca subterráneos en la Universidad de Cornell. “Pero el desafío es completar esos pozos para que no se desmoronen, particularmente si se va a comenzar a extraer fluidos del subsuelo y cambiar el perfil de temperatura. “Perforar un pozo ya es bastante desafiante”, dice Tester. «Pero realmente hacer funcionar el embalse y extraer la energía del suelo de manera segura puede ser algo muy, muy lejano en el futuro». 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El sueño de la energía de fusión se acercó cada vez más a la realidad en diciembre de 2022, cuando investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) revelaron que una reacción de fusión había producido más energía de la necesaria para ponerla en marcha. Según una nueva investigación, la momentánea hazaña de fusión requirió una coreografía exquisita y extensos preparativos, cuyo alto grado de dificultad revela un largo camino por recorrer antes de que alguien se atreva a esperar que pueda haber una fuente de energía viable a mano. El resultado innovador se logró en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del laboratorio de California, que utiliza una serie de 192 láseres de alta potencia para disparar pequeñas bolitas de combustible de deuterio y tritio en un proceso conocido como fusión por confinamiento inercial. Esto hace que el combustible implosione, rompiendo sus átomos y generando temperaturas y presiones más altas que las que se encuentran en el centro del sol. Luego, los átomos se fusionan, liberando enormes cantidades de energía. «Esto demostró que no hay nada fundamentalmente que nos limite a la hora de aprovechar la fusión en el laboratorio». —Annie Kritcher, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore La instalación ha estado en funcionamiento desde 2011 y durante mucho tiempo la cantidad de energía producida por estas reacciones fue significativamente menor que la cantidad de energía láser bombeada al combustible. Pero el 5 de diciembre de 2022, investigadores del NIF anunciaron que finalmente habían alcanzado el punto de equilibrio al generar 1,5 veces más energía de la necesaria para iniciar la reacción de fusión. Un nuevo artículo publicado ayer en Physical Review Letters confirma las afirmaciones del equipo y detalla la compleja ingeniería necesaria para hacerlo posible. Si bien los resultados subrayan el considerable trabajo que queda por delante, Annie Kritcher, física de LLNL que dirigió el diseño del experimento, dice que todavía marca un hito importante en la ciencia de la fusión. «Demostró que no hay nada que nos limite fundamentalmente a la hora de aprovechar la fusión en el laboratorio», dice. Si bien el experimento se caracterizó como un gran avance, Kritcher dice que en realidad fue el resultado de minuciosas mejoras incrementales en los equipos y procesos de la instalación. En particular, el equipo ha pasado años perfeccionando el diseño de la pastilla de combustible y el recipiente cilíndrico de oro que la alberga, conocido como “hohlraum”. ¿Por qué es tan difícil la fusión? Cuando los láseres golpean el exterior de esta cápsula, su energía se convierte en rayos X que luego explotan la pastilla de combustible, que consiste en una capa exterior de diamante recubierta por dentro con combustible de deuterio y tritio. Es crucial que el hohlraum sea lo más simétrico posible, dice Kritcher, para que distribuya los rayos X uniformemente a través del pellet. Esto garantiza que el combustible se comprima por igual desde todos los lados, lo que le permite alcanzar las temperaturas y presiones necesarias para la fusión. «Si no haces eso, básicamente puedes imaginar que tus plasmas salen disparados en una dirección, y no puedes exprimirlos y calentarlos lo suficiente», dice. Desde entonces, el equipo ha llevado a cabo seis experimentos más, dos de los cuales han generaron aproximadamente la misma cantidad de energía que la que se invirtió y cuatro la superaron significativamente. Kritcher dice que también es importante adaptar cuidadosamente los rayos láser, porque la luz láser puede dispersarse en el hohlraum, reduciendo la eficiencia y potencialmente dañando la óptica del láser. Además, tan pronto como el láser comienza a incidir en la cápsula, comienza a emitir una columna de plasma que interfiere con el rayo. «Es una carrera contra el tiempo», dice Kritcher. «Estamos tratando de colocar el pulso del láser allí antes de que esto suceda, porque entonces no se puede hacer que la energía del láser llegue a donde se desea». El proceso de diseño es lento, porque la instalación es capaz de realizar sólo unas pocas tomas al año, lo que limita la capacidad del equipo para iterar. Y predecir cómo se desarrollarán esos cambios con anticipación es un desafío debido a nuestra escasa comprensión de la física extrema en juego. «Estamos disparando a un objetivo diminuto con el láser más grande del mundo, y un montón de basura vuela por todas partes», dice Kritcher. «Y estamos tratando de controlar eso a niveles muy, muy precisos». No obstante, al analizar los resultados de experimentos anteriores y utilizar modelos informáticos, el equipo pudo resolver el problema. Descubrieron que el uso de un láser de potencia ligeramente mayor junto con una capa de diamante más gruesa alrededor de la pastilla de combustible podría superar los efectos desestabilizadores de las imperfecciones en la superficie de la pastilla. Además, descubrieron que estas modificaciones también podrían ayudar a limitar la reacción de fusión durante el tiempo suficiente para que se vuelva autosostenida. El experimento resultante acabó produciendo 3,15 megajulios, considerablemente más que los 2,05 MJ producidos por los láseres. Desde entonces, el equipo ha llevado a cabo seis experimentos más: dos generaron aproximadamente la misma cantidad de energía que la introducida y cuatro que la superaron significativamente. Lograr consistentemente el punto de equilibrio es una hazaña importante, dice Kritcher. Sin embargo, añade que la variabilidad significativa en la cantidad de energía producida sigue siendo algo que los investigadores deben abordar. Sin embargo, este tipo de inconsistencia no es sorprendente, dice Saskia Mordijck, profesora asociada de física en el College of William and Mary en Virginia. La cantidad de energía generada está fuertemente relacionada con el grado de autosostenibilidad de las reacciones, que pueden verse afectadas por cambios muy pequeños en la configuración, afirma. Ella compara el desafío con aterrizar en la luna: sabemos cómo hacerlo, pero es un desafío técnico tan enorme que no hay garantía de que se logrará el aterrizaje. En relación con esto, investigadores del Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester informaron hoy en la revista Nature Physics que han desarrollado un sistema de fusión por confinamiento inercial que tiene una centésima parte del tamaño de los NIF. Su sistema láser de 28 kilojulios, observó el equipo, puede al menos producir más energía de fusión que la contenida en el plasma central, un logro que está en el camino hacia el éxito del NIF, pero aún está lejos. Llaman a lo que han desarrollado una “bujía” hacia reacciones más enérgicas. Los resultados recientemente informados tanto por NIF como por LLE representan pasos en un camino de desarrollo, donde en ambos casos ese camino sigue siendo largo y desafiante si se quiere que la fusión por confinamiento inercial alguna vez se convierta en algo más que una curiosidad de investigación. También quedan muchos otros obstáculos además de los mencionados anteriormente. Los cálculos actuales comparan la energía generada con la salida del láser NIF, pero eso pasa por alto el hecho de que los láseres extraen más de 100 veces la energía de la red que cualquier reacción de fusión. Eso significa que las ganancias de energía o la eficiencia del láser tendrían que mejorar en dos órdenes de magnitud para alcanzar el punto de equilibrio en cualquier sentido práctico. Las pastillas de combustible del NIF también son extremadamente caras, dice Kritcher, cada una con un precio estimado de 100.000 dólares. Entonces, producir una cantidad razonable de energía significaría aumentar drásticamente la frecuencia de los disparos del NIF, una hazaña apenas en el horizonte para un reactor que requiere meses para cargar la siguiente ráfaga de nanosegundos de duración. «Esos son los mayores desafíos», dice Mordijck. «Pero creo que si los superamos, en realidad no será tan difícil en ese momento». ACTUALIZACIÓN: 6 de febrero de 2024 6 pm ET: La historia se actualizó para incluir noticias sobre los nuevos hallazgos de la investigación del Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester. Artículos de su sitioArtículos relacionados en la Web
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