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Ciencia
Helio-3, un combustible alternativo
El Helio-3 se plantea como posible solución a la demanda enérgetica, pero las reservas son abundantes en la Luna. Su aprovechamiento como fuente de energía pasa por lograr la fusión nuclear a escala industrial
Joaquín Pi Yagüe
- 30/10/2015
- Número 7
NASA
Un informe de la ONU publicado en 2013 estima que hacia el año 2050 la población mundial superará los 9.000 millones de habitantes. Según el Laboratorio Nacional de Fusión, para ese mismo año es posible que el consumo de energía primaria se duplique o triplique respecto a las cifras actuales. El periodista Raffi Khatchadourian recogía en The New Yorker las palabras del ingeniero y asesor principal del ITER —siglas que corresponden a International Thermonuclear Experimental Reactor—, Gunther Janeschitz: “Tenemos que reemplazar el petróleo y, en el próximo siglo, el gas natural. Estos dos [combustibles] representan el 60% de la energía que consumimos en cada país en la actualidad”.
Ante este panorama, diversas voces han abogado por buscar posibles soluciones para solventar los problemas de la demanda de energía a muy largo plazo. Entre las opciones que se barajan está la búsqueda de combustible allende nuestro planeta. El Helio-3 es el candidato que suena de momento con más fuerza dentro de esta categoría. Se trata de un isótopo del Helio, ligero y no reactivo, con dos protones y un neutrón que posee un gran poder energético.
El Helio-3 es muy escaso en la Tierra porque la atmósfera evita que penetre y se pose en el suelo del planeta. En la Luna, en cambio, no existe esa barrera y eso ha permitido que el isótopo se asiente en el satélite, que recibe el viento solar que lo transporta sin ningún tipo de filtro desde hace miles de millones de años. Ian Crawford, profesor de Ciencia Planetaria y Astrobiología del Birkbeck College de Londres, explica en el artículo “Lunar Resources: a Review”, publicado este año en la revista Progress in Physical Geography, que las muestras traídas en las distintas misiones del proyecto Apolo han demostrado que el regolito —una capa no estructurada que se acumula sobre la superficie del terreno lunar y que se compone de fragmentos de rocas y polvo producto de los impactos de meteoritos y de las partículas arrastradas por el viento cósmico— es eficaz a la hora de retener los iones y los volátiles implantados en el viento solar, y que dichos volátiles pueden ser desgasificados del regolito calentándolo a temperaturas que oscilarían entre los 300 y los 900 grados centígrados, dependiendo del gas que queramos obtener. Estima que 700 serían suficientes para desprender el hidrógeno y el helio.
Dicha cifra ha sido confirmada gracias a un proyecto diseñado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Wisconsin-Madison, donde se planea la construcción de un sistema para realizar este calentamiento a pequeña escala de forma experimental. El proceso para extraer Helio-3 del regolito lunar es muy complicado y requiere meticulosidad. Una vez extraída una cantidad es necesario filtrarlo a través de un prototipo de tubo termosifón bifásico-cambiador de calor. Bozzato, buen conocedor del programa espacial chino, dirigido a la obtención de recursos energéticos de la Luna, cita estudios que aseguran que incluso 600 grados centígrados bastarían para realizar esta operación de separar el Helio-3 del polvo lunar.
“Por ahora todo eso es ciencia ficción”, afirma Valeriano Claros, —miembro de la Real Academia Hispanoamericana de Ciencias, Artes y Letras e ingeniero de telecomunicaciones que ha ocupado importantes puestos en proyectos de la ESA (Agencia Espacial Europea, por sus siglas en inglés) y el proyecto Apolo de la NASA— a preguntas de AHORA; aunque ve factible la solución para extraer el Helio-3 del regolito: “El Helio-3 llega a la Luna en forma de viento solar, es posible que haya que calentarlo [para desprenderlo] puesto que se trata de un gas”.
Una vez extraído el material, surge otro dilema: su transporte a la Tierra y si compensa en el plano económico. Gerald Kulcinski, profesor de Ingeniería Nuclear en la Universidad de Wisconsin-Madison y director emérito del Instituto de Tecnología de Fusión en la misma universidad, resume para AHORA los cálculos que hasta la fecha requeriría esta operación: “Ya se ha estudiado el coste de extraer Helio-3 y traerlo a la Tierra, y supone 1.000 dólares por cada gramo”. Prosigue: “Si se quemara en un reactor de fusión, el coste del Helio-3 como combustible añadiría menos de un céntimo por kiloVatio al coste de la electricidad. Dicho coste es muy inferior al que suponen el carbón o el gas natural para las centrales eléctricas”.
Bozzato, por su parte, afirma también en declaraciones a este semanario, citando a su vez Energy Resources for Human Settlement in the Solar System (editado por William A. Ambrose, James F. Reilly y Dougles C. Peters y publicado por AAPG en 2013), que “el combustible del cohete y los bienes de consumo [necesarios para el viaje] cuestan hoy una media de 20.000 dólares por libra cuando [el vehículo] despega de la Tierra”. Teniendo en cuenta que la fuerza de la gravedad en la Luna es seis veces inferior a la que hay en la Tierra, es de suponer que el gasto en combustible sería menor, concretamente “1/14 o 1/20 menos de lo que se necesitaría para dejar atrás la superficie de la Tierra”. Bozzato no cree que se necesite “un cohete como el Saturno-V para transportar Helio-3 a la Tierra”. De hecho, en el libro propone como más útil para realizar este proceso los remolcadores espaciales OVT (Orbital Transfer Vehicles), de menor peso.
Para el ingeniero Claros, traer el combustible de vuelta en un vehículo espacial es quizá la fase que ofrece más posibilidades: “El transporte de la Luna a la Tierra se puede hacer en tres días. Cuando estaba en el proyecto Apolo era lo que tardábamos en regresar tras despegar de la Luna. Quizá en un futuro se pueda hacer en menos tiempo”.
De la teoría a la práctica, en numerosas ocasiones va un trecho, prosigue el ingeniero: “La pregunta es: ¿sabemos hacer la fusión en la Tierra? Por ahora la respuesta es no. Las centrales nucleares convencionales son de fisión y para esto se necesitaría una central nuclear de fusión. En Francia ya se está trabajando en ello. Se trata de un gran proyecto internacional en el que están comprometidos países como Estados Unidos o Japón”. El académico se refiere al ITER, un proyecto desarrollado en el centro de investigación Cadarache, en Saint Paul lès Durance (Francia), gracias al cual se pretenden adquirir los conocimientos necesarios para construir una planta de fusión nuclear experimental. La fase más avanzada de dicho proyecto, fijada en 2027, prevé realizar operaciones con Deuterio y Tritio.
El Instituto de Tecnología de la Fusión de la Universidad de Wisconsin-Madison afirmó en un breve artículo publicado en febrero de 1999 que, hasta ese momento, era muy probable que hubieran sido los primeros en lograr la fusión de Helio-3 con Deuterio en estado estático. Para ello se utilizó un dispositivo llamado IEC (Inertial Electrostatic Confinement) que consiste en una habitáculo vacío y cilíndrico, hecho de aluminio y con una medida de 91 centímetros de diámetro y 65 de alto.
En este experimento participó el profesor Kulcinski, que explica a AHORA cómo desde entonces han podido realizar fusiones con Helio-3 de forma habitual: “Hay dos formas de realizar fusiones con Helio-3: con Deuterio y Helio-3 o con Helio-3 y Helio-3. La primera forma es la más sencilla, lo hacemos habitualmente en el laboratorio”. Aunque puntualiza: “La energía que emite es mucho menor que la cantidad que ponemos”. Kulcinski admite que “todavía queda un largo camino para obtener más energía de la que utilizamos [al hacer la fusión]”.
El Helio-3 se ha presentado a menudo como una energía limpia, aunque hay discrepancia en cuanto a la radiación nuclear generada en el proceso: para algunos esta es mínima y para otros, inexistente. Kulcinski explica que depende del elemento con el que se fusione: “La fusión de Helio-3 y Helio-3 es la única que conocemos hasta ahora libre de radiación nuclear”. Sin embargo, no todo son ventajas: “Requiere una inversión de energía dos veces mayor que la empleada en la fusión de Deuterio y Helio-3”.
En el texto, Crawford niega la mayor: “Desde el punto de vista de cualquier patrón objetivo, el isótopo Helio-3 es en realidad muy escaso en el suelo lunar” y, además, “su distribución no es uniforme”. Si bien admite que “se desconoce la distribución del Helio-3 en las latitudes altas [de la Luna]”. Esta supuesta escasez de la que habla “obligaría a practicar la minería en grandes extensiones [del terreno lunar]”. Calentar a 700 grados centígrados grandes extensiones de terreno para desprender el Helio-3 del rigolito haría que, según él, “se pierda aproximadamente el 5% de la energía obtenida en la fusión del Helio-3 liberado”.
Para este especialista, si las prospecciones para hallar recursos explotables de Helio-3 y los proyectos piloto de extracción que se están llevando a cabo llegan a buen puerto, aún quedaría por lograr “la obtención de este recurso a escala industrial”. Esto se hace especialmente difícil si a la escasez de Helio-3 en suelo lunar de la que alerta este científico se suma que, de acuerdo a sus apreciaciones, “la contribución directa a la economía mundial en un futuro próximo es muy limitada”.
Además, en el “hipotético” caso de que se lograra hacer la fusión con éxito, Crawford advierte de que “habría que hacer la conversión de esa energía de la fusión en electricidad”. Y recuerda que “los defensores de la fusión de Helio-3 estiman que una central eléctrica tiene que lograr una eficacia del 60 o 70%, mientras que la eficacia de las centrales eléctricas convencionales es del 30%”.
Todo lo expuesto lleva a Crawford a considerar, de acuerdo con su interpretación, que resulta “cuanto menos prematuro identificar el Helio-3 lunar como una solución para las necesidades energéticas del mundo”. Para este profesor de Astrobiología resulta “más lógico desarrollar realmente fuentes de energía inagotables en la Tierra. Algunas posibilidades para esto incluirían la fusión Deuterio-Deuterio y Deuterio-Tritio”.
Un nuevo combustible
“La competencia feroz por los combustibles fósiles generaría fricciones políticas intensas en la arena internacional, tensiones regionales a costa del petróleo y alumbraría conflictos armados que harían el sistema internacional salvajemente hobbesiano y altamente inflamable”, asegura Fabrizio Bozzato, investigador asociado en el Instituto Ricci de Taipei y en el Centro de Tecnología Avanzada de la Universidad de Tamkang en Taiwán, en un estudio publicado en la revista Erenlai.Ante este panorama, diversas voces han abogado por buscar posibles soluciones para solventar los problemas de la demanda de energía a muy largo plazo. Entre las opciones que se barajan está la búsqueda de combustible allende nuestro planeta. El Helio-3 es el candidato que suena de momento con más fuerza dentro de esta categoría. Se trata de un isótopo del Helio, ligero y no reactivo, con dos protones y un neutrón que posee un gran poder energético.
El Helio-3 es muy escaso en la Tierra porque la atmósfera evita que penetre y se pose en el suelo del planeta. En la Luna, en cambio, no existe esa barrera y eso ha permitido que el isótopo se asiente en el satélite, que recibe el viento solar que lo transporta sin ningún tipo de filtro desde hace miles de millones de años. Ian Crawford, profesor de Ciencia Planetaria y Astrobiología del Birkbeck College de Londres, explica en el artículo “Lunar Resources: a Review”, publicado este año en la revista Progress in Physical Geography, que las muestras traídas en las distintas misiones del proyecto Apolo han demostrado que el regolito —una capa no estructurada que se acumula sobre la superficie del terreno lunar y que se compone de fragmentos de rocas y polvo producto de los impactos de meteoritos y de las partículas arrastradas por el viento cósmico— es eficaz a la hora de retener los iones y los volátiles implantados en el viento solar, y que dichos volátiles pueden ser desgasificados del regolito calentándolo a temperaturas que oscilarían entre los 300 y los 900 grados centígrados, dependiendo del gas que queramos obtener. Estima que 700 serían suficientes para desprender el hidrógeno y el helio.
Dicha cifra ha sido confirmada gracias a un proyecto diseñado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Wisconsin-Madison, donde se planea la construcción de un sistema para realizar este calentamiento a pequeña escala de forma experimental. El proceso para extraer Helio-3 del regolito lunar es muy complicado y requiere meticulosidad. Una vez extraída una cantidad es necesario filtrarlo a través de un prototipo de tubo termosifón bifásico-cambiador de calor. Bozzato, buen conocedor del programa espacial chino, dirigido a la obtención de recursos energéticos de la Luna, cita estudios que aseguran que incluso 600 grados centígrados bastarían para realizar esta operación de separar el Helio-3 del polvo lunar.
El He3 es muy escaso en la Tierra porque la atmósfera evita que penetre y se pose en el suelo del planeta
“Por ahora todo eso es ciencia ficción”, afirma Valeriano Claros, —miembro de la Real Academia Hispanoamericana de Ciencias, Artes y Letras e ingeniero de telecomunicaciones que ha ocupado importantes puestos en proyectos de la ESA (Agencia Espacial Europea, por sus siglas en inglés) y el proyecto Apolo de la NASA— a preguntas de AHORA; aunque ve factible la solución para extraer el Helio-3 del regolito: “El Helio-3 llega a la Luna en forma de viento solar, es posible que haya que calentarlo [para desprenderlo] puesto que se trata de un gas”.
Una vez extraído el material, surge otro dilema: su transporte a la Tierra y si compensa en el plano económico. Gerald Kulcinski, profesor de Ingeniería Nuclear en la Universidad de Wisconsin-Madison y director emérito del Instituto de Tecnología de Fusión en la misma universidad, resume para AHORA los cálculos que hasta la fecha requeriría esta operación: “Ya se ha estudiado el coste de extraer Helio-3 y traerlo a la Tierra, y supone 1.000 dólares por cada gramo”. Prosigue: “Si se quemara en un reactor de fusión, el coste del Helio-3 como combustible añadiría menos de un céntimo por kiloVatio al coste de la electricidad. Dicho coste es muy inferior al que suponen el carbón o el gas natural para las centrales eléctricas”.
Bozzato, por su parte, afirma también en declaraciones a este semanario, citando a su vez Energy Resources for Human Settlement in the Solar System (editado por William A. Ambrose, James F. Reilly y Dougles C. Peters y publicado por AAPG en 2013), que “el combustible del cohete y los bienes de consumo [necesarios para el viaje] cuestan hoy una media de 20.000 dólares por libra cuando [el vehículo] despega de la Tierra”. Teniendo en cuenta que la fuerza de la gravedad en la Luna es seis veces inferior a la que hay en la Tierra, es de suponer que el gasto en combustible sería menor, concretamente “1/14 o 1/20 menos de lo que se necesitaría para dejar atrás la superficie de la Tierra”. Bozzato no cree que se necesite “un cohete como el Saturno-V para transportar Helio-3 a la Tierra”. De hecho, en el libro propone como más útil para realizar este proceso los remolcadores espaciales OVT (Orbital Transfer Vehicles), de menor peso.
Para el ingeniero Claros, traer el combustible de vuelta en un vehículo espacial es quizá la fase que ofrece más posibilidades: “El transporte de la Luna a la Tierra se puede hacer en tres días. Cuando estaba en el proyecto Apolo era lo que tardábamos en regresar tras despegar de la Luna. Quizá en un futuro se pueda hacer en menos tiempo”.
Hacia la fusión nuclear
En caso de que se encontrara Helio-3 en la Tierra, se podría obtener energía mediante un proceso de fusión nuclear. “La teoría dice que cuando se consiguen átomos de H3, que es la molécula pesada del hidrógeno, y se unen, los átomos se descomponen formando un átomo de Helio. Eso genera una cantidad de energía inmensa. Es la forma que tiene el Sol de obtener la suya, hace una fusión de sus átomos de Hidrógeno-3 a millones de grados. El problema es que no se puede poner una cantidad de este material a millones de grados en una máquina de hierro porque la fundiría. Se podría hacer teniendo separada esa masa del hierro [del recipiente] mientras se forma el Helio cuando se calienta. Para mantener flotando esa energía que se genera, serían necesarios unos sistemas magnéticos que impidan que toque las paredes [mientras se calienta]”, explica Claros.De la teoría a la práctica, en numerosas ocasiones va un trecho, prosigue el ingeniero: “La pregunta es: ¿sabemos hacer la fusión en la Tierra? Por ahora la respuesta es no. Las centrales nucleares convencionales son de fisión y para esto se necesitaría una central nuclear de fusión. En Francia ya se está trabajando en ello. Se trata de un gran proyecto internacional en el que están comprometidos países como Estados Unidos o Japón”. El académico se refiere al ITER, un proyecto desarrollado en el centro de investigación Cadarache, en Saint Paul lès Durance (Francia), gracias al cual se pretenden adquirir los conocimientos necesarios para construir una planta de fusión nuclear experimental. La fase más avanzada de dicho proyecto, fijada en 2027, prevé realizar operaciones con Deuterio y Tritio.
El Instituto de Tecnología de la Fusión de la Universidad de Wisconsin-Madison afirmó en un breve artículo publicado en febrero de 1999 que, hasta ese momento, era muy probable que hubieran sido los primeros en lograr la fusión de Helio-3 con Deuterio en estado estático. Para ello se utilizó un dispositivo llamado IEC (Inertial Electrostatic Confinement) que consiste en una habitáculo vacío y cilíndrico, hecho de aluminio y con una medida de 91 centímetros de diámetro y 65 de alto.
“El transporte desde la Luna se puede hacer en tres días”, afirma el ingeniero español Valeriano Claros
En este experimento participó el profesor Kulcinski, que explica a AHORA cómo desde entonces han podido realizar fusiones con Helio-3 de forma habitual: “Hay dos formas de realizar fusiones con Helio-3: con Deuterio y Helio-3 o con Helio-3 y Helio-3. La primera forma es la más sencilla, lo hacemos habitualmente en el laboratorio”. Aunque puntualiza: “La energía que emite es mucho menor que la cantidad que ponemos”. Kulcinski admite que “todavía queda un largo camino para obtener más energía de la que utilizamos [al hacer la fusión]”.
El Helio-3 se ha presentado a menudo como una energía limpia, aunque hay discrepancia en cuanto a la radiación nuclear generada en el proceso: para algunos esta es mínima y para otros, inexistente. Kulcinski explica que depende del elemento con el que se fusione: “La fusión de Helio-3 y Helio-3 es la única que conocemos hasta ahora libre de radiación nuclear”. Sin embargo, no todo son ventajas: “Requiere una inversión de energía dos veces mayor que la empleada en la fusión de Deuterio y Helio-3”.
Una voz escéptica
Los científicos consultados se muestran muy cautelosos, pese a que a priori pueda parecer que todo está muy planificado y controlado y que los resultados se darán en el medio y largo plazo. Quizá la excepción sea el profesor Crawford, que remite a la lectura del artículo mencionado, cuando se le pregunta desde este medio por las posibilidades de desarrollo del Helio-3 como fuente de energía una vez se haya logrado la fusión nuclear.En el texto, Crawford niega la mayor: “Desde el punto de vista de cualquier patrón objetivo, el isótopo Helio-3 es en realidad muy escaso en el suelo lunar” y, además, “su distribución no es uniforme”. Si bien admite que “se desconoce la distribución del Helio-3 en las latitudes altas [de la Luna]”. Esta supuesta escasez de la que habla “obligaría a practicar la minería en grandes extensiones [del terreno lunar]”. Calentar a 700 grados centígrados grandes extensiones de terreno para desprender el Helio-3 del rigolito haría que, según él, “se pierda aproximadamente el 5% de la energía obtenida en la fusión del Helio-3 liberado”.
Para este especialista, si las prospecciones para hallar recursos explotables de Helio-3 y los proyectos piloto de extracción que se están llevando a cabo llegan a buen puerto, aún quedaría por lograr “la obtención de este recurso a escala industrial”. Esto se hace especialmente difícil si a la escasez de Helio-3 en suelo lunar de la que alerta este científico se suma que, de acuerdo a sus apreciaciones, “la contribución directa a la economía mundial en un futuro próximo es muy limitada”.
Además, en el “hipotético” caso de que se lograra hacer la fusión con éxito, Crawford advierte de que “habría que hacer la conversión de esa energía de la fusión en electricidad”. Y recuerda que “los defensores de la fusión de Helio-3 estiman que una central eléctrica tiene que lograr una eficacia del 60 o 70%, mientras que la eficacia de las centrales eléctricas convencionales es del 30%”.
Todo lo expuesto lleva a Crawford a considerar, de acuerdo con su interpretación, que resulta “cuanto menos prematuro identificar el Helio-3 lunar como una solución para las necesidades energéticas del mundo”. Para este profesor de Astrobiología resulta “más lógico desarrollar realmente fuentes de energía inagotables en la Tierra. Algunas posibilidades para esto incluirían la fusión Deuterio-Deuterio y Deuterio-Tritio”.