Pequeña batería de fusión
El reactor de confinamiento electrostático inercial de Avalanche depende de la recirculación de iones millones de veces por segundo para forzarlos a fusionarse. AVALANCHE
La fusión nuclear práctica es, como se sabe, siempre 10 años en el futuro. Excepto que el Pentágono otorgó recientemente un premio a una pequeña empresa emergente para lanzar un sistema de energía de fusión al espacio en solo cinco.
No faltan organizaciones, desde empresas emergentes respaldadas por capital de riesgo hasta estados nacionales, que intentan hacer realidad el sueño de una energía barata, limpia y confiable a partir de la fusión nuclear. Pero Avalanche Energy Designs, con sede cerca de una instalación de Boeing en Seattle, es aún más ambiciosa. Está trabajando en “paquetes de micro fusión” modulares, lo suficientemente pequeños como para sostenerlos en la mano pero capaces de alimentar todo, desde autos eléctricos hasta naves espaciales.
El mes pasado, la Unidad de Innovación de Defensa (DIU) del Pentágono anunció que había otorgado a Avalanche una suma no especificada para desarrollar su dispositivo de fusión Orbitron para generar calor o electricidad, con el objetivo de impulsar un sistema de propulsión de alta eficiencia a bordo de un satélite prototipo en 2027. El contrato con Avalanche fue uno de los dos otorgados por la DIU; el segundo fue para Ultra Safe Nuclear, con sede en Seattle, para el desarrollo de su batería de radioisótopos.
La ciencia de la fusión es bien entendida. Si puede forzar la unión de núcleos de hidrógeno (o algunos otros elementos ligeros), liberarán grandes cantidades de energía. Sin embargo, la mayoría de los intentos de superar la repulsión electrostática de las partículas en el plasma implican temperaturas extremadamente altas (como en el proyecto internacional Iter de más de 25.000 millones de dólares estadounidenses) o potentes pulsos o proyectiles láser. La validación de tales enfoques requiere hardware grande, complejo y extremadamente costoso.
El Orbitron de Avalanche, por otro lado, teóricamente podría caber sobre una mesa. Se basa en el Ph.D. tesis de Tom McGuire, un estudiante que trabajaba en la fusión por confinamiento electrostático inercial (IEC) en el MIT en 2007. IEC fue imaginado por primera vez por el pionero de la televisión Philo Farnsworth. Un dispositivo IEC confina iones de combustible en campos eléctricos que están soportados por electrodos esféricos. Los iones recirculan dentro del dispositivo IEC, dándoles repetidas oportunidades para fusionarse.
McGuire simuló el comportamiento de dichos iones con diferentes rejillas de cátodos y descubrió que algunas configuraciones conducían a que el plasma se autoorganizara en una colección pulsante sincronizada de “racimos de iones”. Estos grupos duraron alrededor de una décima de segundo, miles de veces más que los iones que vuelan solos, y por lo tanto aumentaron enormemente la probabilidad de fusión. McGuire obtuvo su Ph.D. y se unió a la división Skunk Works de Lockheed Martin para desarrollar su propio concepto de fusión compacta. (Su socio de investigación de fusión en el MIT, Carl Dietrich, pasó a explorar otra tecnología “siempre a una década de distancia”: los autos voladores).
Mientras tanto, el trabajo de IEC de McGuire languideció hasta que llamó la atención de dos ingenieros que trabajaban en Blue Origin: Robin Langtry y Brian Riordan. En 2018, formaron Avalanche Energy como una actividad secundaria, y finalmente abandonaron Blue Origin en el verano de 2021. En marzo de este año, Avalanche surgió de la clandestinidad con $ 5 millones en fondos de capital de riesgo y una plantilla de 10, aunque la dirección oficial de Avalanche es sigue siendo una casa unifamiliar en Seattle.
El sitio web de Avalanche proclama con orgullo: “Vemos nuestros paquetes de energía de fusión como la base para crear un mundo con abundante agua limpia, océanos saludables, vastas selvas tropicales e inmensos glaciares en equilibrio saludable”.
Una solicitud de patente presentada por Langtry y Riordan contiene algunos detalles de cómo podría funcionar su Orbitron. Describe un sistema de contención orbital del orden de decenas de centímetros de tamaño, donde un haz de iones de combustible interactúa con un campo electrostático para entrar en una órbita elíptica alrededor de un electrodo interno. La aplicación describe un sistema en el que los iones duran un segundo o más, 10 veces más que en las simulaciones de McGuire y lo suficiente para que cada ion complete millones de órbitas en el reactor.
Un artículo en GeekWire publicado cuando Avalanche salió del modo sigiloso incluía una afirmación de que la compañía ya había producido neutrones a través de la fusión. Avalanche contempla pequeños paquetes de fusión con una capacidad de 5 a 15 kilovatios, que funcionan solos o agrupados por cientos para soluciones de energía limpia a escala de megavatios. El Pentágono está interesado en los paquetes para permitir potencialmente que las pequeñas naves espaciales maniobren libremente en el espacio profundo, con cargas útiles de mayor potencia.
El desafío ahora es que Avalanche pase de ser un Ph.D. de 15 años. tesis en simulación a un prototipo de trabajo en el espacio, en sólo 60 meses. Tom McGuire, que todavía está trabajando en la fusión en Lockheed, no hizo comentarios a IEEE Spectrum más allá de señalar que estaba al tanto de Avalanche, no está involucrado en su esfuerzo y les desea suerte. Avalanche en sí no respondió a las solicitudes de entrevista.
Las reacciones de los expertos en fusión fueron mixtas, aunque todos señalaron que se avecinan múltiples desafíos de ingeniería importantes. Uno señaló que “la pieza crítica de la tecnología es la afirmación de confinamiento orbital. Alcanzar densidades lo suficientemente altas sin arruinar el comportamiento inteligente del movimiento orbital es el principal desafío”.
Otro, que pidió no ser identificado, se mostró bastante escéptico.
El problema es que la fusión no es lo único que puede ocurrir cuando dos iones se acercan. La probabilidad de fusión es mucho menor que la probabilidad de otras cosas, como la dispersión. Aumentar la densidad de iones aumenta la probabilidad de fusiones, pero también aumenta la probabilidad de dispersión”, escribió. “VC acaba de invertir 5 millones de dólares en un enfoque que, en mi opinión, es imposible”.
Jason Cassibry, profesor del departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Alabama, en Huntsville, no está de acuerdo. “Hay una ruta bastante buena para alcanzar el punto de equilibrio”, dijo, refiriéndose al punto en el que un reactor produce más energía de la que consume. “Pero van a tener que trabajar mucho y modelar mucho para descubrir la combinación mágica de cosas para que todo funcione”.
Cassibry también señaló que muchas reacciones de fusión producen neutrones que, en ausencia de protección, podrían resultar dañinos para los materiales, las cargas útiles y los humanos en cualquier futura nave espacial. Si bien esto en última instancia aumentaría la complejidad de la ingeniería, en realidad podría ser una ventaja comercial a corto plazo, dice: “Si no tienen éxito, creo que todavía tienen un dispositivo muy útil como fuente de neutrones de bajo costo”. que tiene todo tipo de aplicaciones, como imágenes médicas y aplicaciones de seguridad nacional”.
Cuando se le preguntó si cree que el paquete de fusión de Avalanche realmente volará al espacio en 2027, Cassibry dijo: “Dudo en decir que no se puede hacer, ya que de vez en cuando alguien golpea un grand slam. Pero sería mucho más fácil si escribieran un cheque por mil millones de dólares en lugar de solo unos pocos millones. Es difícil hacer cosas como esta”.