¿Qué tiene en común la mayonesa y la fusión nuclear? Científicos se acercan a resolver desafíos de la reacción

Físicos de la Universidad de Lehigh avanzan en la comprensión de los procesos que llevan a controlar la producción de energía mediante la fusión nuclear recurriendo a un condimento: la mayonesa.

“Seguimos trabajando en el mismo problema, que es la integridad estructural de las cápsulas de fusión utilizadas en la fusión por confinamiento inercial, y la mayonesa sigue ayudándonos en la búsqueda de soluciones”, afirma en un comunicado Arindam Banerjee, profesor de Ingeniería mecánica y mecánica de esta universidad.

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En términos sencillos, las reacciones de fusión son las que alimentan al sol. Si el proceso pudiera aprovecharse en la Tierra, los científicos creen que podría ofrecer una fuente de energía limpia y casi ilimitada para la humanidad. Sin embargo, reproducir las condiciones extremas del sol es un desafío increíblemente complejo. Investigadores de distintas disciplinas, incluidos Banerjee y su equipo, están examinando el problema desde una multitud de perspectivas.

La fusión por confinamiento inercial es un proceso que inicia las reacciones de fusión nuclear comprimiendo y calentando rápidamente cápsulas llenas de combustible, en este caso, isótopos de hidrógeno. Cuando se someten a temperaturas y presiones extremas, estas cápsulas se derriten y forman plasma, el estado cargado de la materia que puede generar energía.

“En esos extremos, estamos hablando de millones de grados Kelvin y gigapascales de presión, ya que estamos tratando de simular las condiciones del sol”, dice Banerjee. “Uno de los principales problemas asociados con este proceso es que el estado de plasma forma estas inestabilidades hidrodinámicas, que pueden reducir el rendimiento energético”.

La mayonesa como análogo

En su primer artículo sobre el tema en 2019, Banerjee y su equipo examinaron ese problema, conocido como inestabilidad de Rayleigh-Taylor. La condición ocurre entre materiales de diferentes densidades cuando los gradientes de densidad y presión están en direcciones opuestas, creando una estratificación inestable.

“Usamos mayonesa porque se comporta como un sólido, pero cuando se somete a un gradiente de presión, comienza a fluir”, dice. El uso del condimento también elimina la necesidad de altas temperaturas y condiciones de presión, que son extremadamente difíciles de controlar.

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El equipo de Banerjee utilizó una instalación de rueda giratoria única en su tipo, construida a medida, dentro del Laboratorio de Mezcla Turbulenta de Banerjee para imitar las condiciones de flujo del plasma. Una vez que la aceleración cruzó un valor crítico, la mayonesa comenzó a fluir.

Una de las cosas que descubrieron durante esa investigación inicial fue que antes de que el flujo se volviera inestable, el sólido blando, es decir, la mayonesa, pasaba por un par de fases.

“Al igual que con un metal fundido tradicional, si se aplica tensión a la mayonesa, comenzará a deformarse, pero si se elimina la tensión, volverá a su forma original”, dice. “Por lo tanto, hay una fase elástica seguida de una fase plástica estable. La siguiente fase es cuando comienza a fluir, y ahí es donde entra en juego la inestabilidad”.

Entender esta transición entre la fase elástica y la fase plástica estable es fundamental, dice, porque saber cuándo comienza la deformación plástica podría indicar a los investigadores cuándo ocurrirá la inestabilidad, dice Banerjee. Entonces, buscarían controlar la condición para permanecer dentro de esta fase elástica o plástica estable.

En su último artículo, publicado en Physical Review E, el equipo analizó las propiedades del material, la geometría de perturbación (amplitud y longitud de onda) y la tasa de aceleración de los materiales que experimentan inestabilidad de Rayleigh-Taylor.

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“Investigamos los criterios de transición entre las fases de inestabilidad de Rayleigh-Taylor y examinamos cómo eso afectaba al crecimiento de la perturbación en las fases siguientes”, dice Boyaci. “Hemos encontrado las condiciones en las que era posible la recuperación elástica y cómo se podía maximizar para retrasar o suprimir por completo la inestabilidad. Los datos experimentales que presentamos son también las primeras mediciones de recuperación en la literatura”.

El hallazgo es importante, ya que podría informar el diseño de las cápsulas de tal manera que nunca se vuelvan inestables, afirman los autores.

Sin embargo, existe la pregunta inminente de cómo los datos del equipo encajan en lo que sucede en las cápsulas de fusión reales, cuyos valores de propiedad son órdenes de magnitud diferentes de los sólidos blandos utilizados en sus experimentos.

“En este artículo, hemos desdimensionalizado nuestros datos con la esperanza de que el comportamiento que estamos prediciendo trascienda estos pocos órdenes de magnitud”, dice Banerjee. “Estamos tratando de mejorar la predictibilidad de lo que sucedería con esas cápsulas de plasma fundido, de alta temperatura y alta presión con estos experimentos análogos de uso de mayonesa en una rueda giratoria”.