Resumen: Vive en un mundo que, aunque ahorra energía mediante el desarrollo de software, sigue consumiendo una cantidad cada vez mayor de energía anualmente. Las grandes crisis energéticas mundiales han provocado repetidas crisis políticas, económicas, industriales, sociales, religiosas e incluso militares.
Mientras la cuestión de las energías fósiles amenaza con agotarse y la fisión nuclear es totalmente hostil, estamos en el momento en que la humanidad debe encontrar nuevas energías, alternativas, renovables, sostenibles, rentables y no peligrosas. Además de la solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz, el presente trabajo viene a proponer otras nuevas energías alternativas de tipo nano. A su vez propone la energía de fusión nuclear, energía producida a partir de materia y antimateria, y energía producida mediante láseres de alta potencia. Después de 1950 comenzaron a aparecer plantas de fisión nuclear. La energía de fisión era un mal necesario. De esta manera se alargó la vida útil del petróleo, evitando una crisis energética. Aun así, la energía obtenida del petróleo representa alrededor del 66% de toda laenergía utilizada. A este ritmo de uso el petróleo se consumirá en unos 40 años. Hoy en día, la producción de energía obtenida mediante fusión nuclear aún no está perfectamente preparada. Pero el tiempo pasa rápido. Debemos apresurarnos a implementar fuentes de energía adicionales ya conocidas y encontrar nuevas fuentes de energía. En estas circunstancias este trabajo viene a proponer posibles nuevas fuentes de energía. El movimiento de un electrón alrededor del núcleo atómico tiene hoy en día una gran importancia en muchos campos de la ingeniería. Electrónica, aeronáutica, micro y nanotecnología, ingeniería eléctrica, óptica, láser, energía nuclear, informática, equipamiento y automatización, telecomunicaciones, ingeniería genética, bioingeniería, procesamiento especial, soldadura moderna, robótica, energía y campo de ondas electromagnéticas son hoy sólo algunas de las las múltiples aplicaciones de la ingeniería electrónica. Este artículo presenta brevemente en el último capítulo. una nueva y original relación que calcula el radio con el que circula el electrón alrededor del núcleo atómico. Para un nivel energético de Bohr (n=un valor constante), se determinan ahora dos niveles energéticamente inferiores, que forman una capa electrónica. El autor desarrolla con esto un nuevo modelo atómico, o una nueva teoría cuántica, que explica la existencia de nubes de electrones sin espín y promete, como aplicación, la construcción de algún láser de alta energía.
Palabras clave: Energía Nuclear, Energía Verde, Fusión Nuclear Fría, Energía de Aniquilación, Energía Atómica, Materia, Antimateria, LÁSER, Nano energía.
Introducción
El desarrollo energético es el esfuerzo por proporcionar suficientes fuentes de energía primaria y formas de energía secundaria para el suministro, el costo, el impacto en la contaminación del aire y la contaminación del agua y la mitigación del cambio climático con energía renovable.
Las sociedades tecnológicamente avanzadas se han vuelto cada vez más dependientes de fuentes de energía externas para el transporte, la producción de muchos bienes manufacturados y la prestación de servicios energéticos.
Esta energía permite a las personas que pueden permitirse el lujo de vivir en condiciones climáticas desfavorables mediante el uso de calefacción, ventilación y/o aire acondicionado. El nivel de uso de fuentes de energía externas difiere entre sociedades, al igual que el clima, la conveniencia, los niveles de congestión del tráfico, la contaminación y la disponibilidad de fuentes de energía internas.
Todas las fuentes de energía terrestre, excepto la nuclear, la geotermia y las mareas, provienen de la insolación solar actual o de restos fósiles de vida vegetal y animal que dependían directa e indirectamente de la luz solar, respectivamente (Aversa et al., 2016 am; Petrescu et al., 2016 ac; Petrescu, 2014, 2012 ab, 2010; Petrescu y Calautit, 2016 ab; Petrescu y Petrescu, 2014, 2011).
En última instancia, la propia energía solar es el resultado de la fusión nuclear del Sol.
La energía geotérmica de roca caliente y endurecida sobre el magma del núcleo de la Tierra es el resultado de la desintegración de materiales radiactivos presentes debajo de la corteza terrestre, y la fisión nuclear se basa en la fisión provocada por el hombre de elementos radiactivos pesados en la corteza terrestre; en ambos casos estos elementos se produjeron en explosiones de supernovas antes de la formación del sistema solar.
La energía renovable es energía que proviene de recursos naturales como la luz solar, el viento, la lluvia, las mareas y el calor geotérmico, que son renovables (se reponen naturalmente).
En 2008, alrededor del 19% del consumo mundial de energía final provino de energías renovables, el 13% de la biomasa tradicional, que se utiliza principalmente para calefacción, y el 3,2% de la hidroelectricidad.
Las nuevas energías renovables (pequeñas centrales hidroeléctricas, biomasa moderna, eólica, solar, geotérmica y biocombustibles) representaron otro 2,7% y están creciendo muy rápidamente.
La participación de las energías renovables en la generación de electricidad es de alrededor del 18%; el 15% de la electricidad mundial proviene de la hidroelectricidad y el 3% de nuevas energías renovables. La energía eólica está creciendo a un ritmo del 30% anual, con una capacidad instalada mundial de 158 (GW) en 2009, y se utiliza ampliamente en Europa, Asia y Estados Unidos.
A finales de 2009, las instalaciones fotovoltaicas (PV) acumuladas en todo el mundo superaron los 21 GW y las centrales fotovoltaicas son populares en Alemania y España.
En EE.UU. y España funcionan centrales solares térmicas, y la mayor de ellas es la central eléctrica SEGS de 354 megavatios (MW) en el desierto de Mojave.
La instalación de energía geotérmica más grande del mundo es The Geysers en California, con una capacidad nominal de 750 MW. Brasil tiene uno de los programas de energía renovable más grandes del mundo, que involucra la producción de etanol a partir de caña de azúcar, y el etanol ahora proporciona el 18% del combustible automotriz del país.
El combustible de etanol también está ampliamente disponible en Estados Unidos, el mayor productor del mundo en términos absolutos, aunque no como porcentaje del consumo total de combustible para motores.
Si bien muchos proyectos de energía renovable son a gran escala, las tecnologías renovables también son adecuadas para áreas rurales y remotas, donde la energía suele ser crucial para el desarrollo humano.
A nivel mundial, se estima que 3 millones de hogares obtienen energía de pequeños sistemas solares fotovoltaicos. Los sistemas microhidráulicos configurados en minirredes a escala de aldea o condado prestan servicio a muchas áreas.
Más de 30 millones de hogares rurales obtienen iluminación y cocina a partir de biogás elaborado en digestores domésticos. 160 millones de hogares utilizan cocinas de biomasa.
Las preocupaciones sobre el cambio climático, junto con los altos precios del petróleo, el cenit del petróleo y el creciente apoyo gubernamental, están impulsando una legislación, unos incentivos y una comercialización cada vez mayores sobre energías renovables.
El nuevo gasto, la regulación y las políticas gubernamentales ayudaron a la industria a capear la crisis económica de 2009 mejor que muchos otros sectores.
El desarrollo energético es el esfuerzo por proporcionar suficientes fuentes de energía primaria y formas de energía secundaria para el suministro, el costo, el impacto en la contaminación del aire y la contaminación del agua y la mitigación del cambio climático con energía renovable.
Las sociedades tecnológicamente avanzadas se han vuelto cada vez más dependientes de fuentes de energía externas para el transporte, la producción de muchos bienes manufacturados y la prestación de servicios energéticos. Esta energía permite a las personas que pueden permitirse el lujo de vivir en condiciones climáticas desfavorables mediante el uso de calefacción, ventilación y/o aire acondicionado.
Todas las fuentes de energía terrestre, excepto la nuclear, la geotermia y las mareas, provienen de la insolación solar actual o de restos fósiles de vida vegetal y animal que dependían directa e indirectamente de la luz solar, respectivamente. En última instancia, la propia energía solar es el resultado de la fusión nuclear del Sol. La energía geotérmica de roca caliente y endurecida sobre el magma del núcleo de la Tierra es el resultado de la desintegración de materiales radiactivos presentes debajo de la corteza terrestre, y la fisión nuclear se basa en la fisión provocada por el hombre de elementos radiactivos pesados en la corteza terrestre; en ambos casos estos elementos se produjeron en explosiones de supernovas antes de la formación del sistema solar.
La energía eólica está creciendo a un ritmo del 30% anual, con una capacidad instalada mundial de 158 (GW) en 2009, y se utiliza ampliamente en Europa, Asia y Estados Unidos. A finales de 2009, las instalaciones fotovoltaicas (PV) acumuladas en todo el mundo superaron los 21 GW y las centrales fotovoltaicas son populares en Alemania y España. En EE.UU. y España funcionan centrales solares térmicas, y la mayor de ellas es la central eléctrica SEGS de 354 megavatios (MW) en el desierto de Mojave.
La instalación de energía geotérmica más grande del mundo es The Geysers en California, con una capacidad nominal de 750 MW.
Brasil tiene uno de los programas de energía renovable más grandes del mundo, que involucra la producción de etanol a partir de caña de azúcar, y el etanol ahora proporciona el 18% del combustible automotriz del país.
El combustible de etanol también está ampliamente disponible en Estados Unidos, el mayor productor del mundo en términos absolutos, aunque no como porcentaje del consumo total de combustible para motores.
Si bien muchos proyectos de energía renovable son a gran escala, las tecnologías renovables también son adecuadas para áreas rurales y remotas, donde la energía suele ser crucial para el desarrollo humano. A nivel mundial, se estima que 3 millones de hogares obtienen energía de pequeños sistemas solares fotovoltaicos. Los sistemas microhidráulicos configurados en minirredes a escala de aldea o condado prestan servicio a muchas áreas.
Más de 30 millones de hogares rurales obtienen iluminación y cocina a partir de biogás elaborado en digestores domésticos. 160 millones de hogares utilizan cocinas de biomasa.
Materiales y métodos
- Energía eólica
Los flujos de aire se pueden utilizar para hacer funcionar turbinas eólicas. Las turbinas eólicas modernas oscilan entre 600 kW y 5 MW de potencia nominal, aunque las turbinas con una potencia nominal de 1,5 a 3 MW se han convertido en las más comunes para uso comercial; La producción de energía de una turbina es función del cubo de la velocidad del viento, por lo que a medida que aumenta la velocidad del viento, la producción de energía aumenta dramáticamente. Los factores de capacidad típicos son del 20 al 40%, con valores en el extremo superior del rango en sitios particularmente favorables. La energía eólica es la más limpia y suficiente, la más segura, la más barata y la más sostenible. Cuando el espacio terrestre no es suficiente, se pueden construir parques eólicos en el agua. Hay que poner el viento a trabajar.
energía hidroeléctrica
Entre las fuentes de energía renovable, las centrales hidroeléctricas tienen la ventaja de ser de larga duración (muchas de las centrales existentes funcionan desde hace más de 100 años). Además, las centrales hidroeléctricas son limpias y tienen pocas emisiones.
Energía solar
Los paneles solares generan electricidad convirtiendo fotones (paquetes de energía luminosa) en corriente eléctrica. La energía solar es la energía derivada del sol a través de la forma de radiación solar. La generación eléctrica con energía solar se basa en motores térmicos y fotovoltaicos. Una lista parcial de otras aplicaciones solares incluye calefacción y refrigeración de espacios mediante arquitectura solar, iluminación diurna, agua caliente solar, cocina solar y calor de proceso de alta temperatura para fines industriales.
La antena de nanotubos de Strano aumenta la cantidad de fotones que se pueden capturar y transforma la luz en energía que se puede canalizar hacia una célula solar.
Biomasa
La biomasa (material vegetal) es una fuente de energía renovable porque la energía que contiene proviene del sol. Mediante el proceso de fotosíntesis, las plantas captan la energía del sol. Cuando las plantas se queman, liberan la energía solar que contienen. De esta forma, la biomasa funciona como una especie de batería natural para almacenar energía solar.
Mientras la biomasa se produzca de forma sostenible, utilizándose sólo la cantidad cultivada, la batería durará indefinidamente.
En general, existen dos enfoques principales para utilizar plantas para la producción de energía: cultivar plantas específicamente para uso energético y utilizar los residuos de plantas que se utilizan para otras cosas. Los mejores enfoques varían de una región a otra según el clima, los suelos y la geografía.
Biocombustible
El biocombustible líquido suele ser bioalcohol, como el bioetanol, o petróleo, como el biodiesel.
El bioetanol es un alcohol que se elabora fermentando los componentes azucarados del material vegetal y se elabora principalmente a partir de cultivos de azúcar y almidón. Con el desarrollo de tecnología avanzada, la biomasa celulósica, como árboles y pastos, también se utiliza como materia prima para la producción de etanol.
El etanol se puede utilizar como combustible para vehículos en su forma pura, pero normalmente se utiliza como aditivo de la gasolina para aumentar el octanaje y mejorar las emisiones de los vehículos. El bioetanol se utiliza ampliamente en Estados Unidos y Brasil.
Energía geotérmica
La energía geotérmica del núcleo de la Tierra está más cerca de la superficie en algunas zonas que en otras. Cuando se puede extraer vapor o agua subterránea caliente y llevarla a la superficie, se puede utilizar para generar electricidad.
Estas fuentes de energía geotérmica existen en ciertas partes geológicamente inestables del mundo, como Chile, Islandia, Nueva Zelanda, Estados Unidos, Filipinas e Italia.
Las dos zonas más destacadas en Estados Unidos son la cuenca de Yellowstone y el norte de California.
Energía de las mareas
La energía de las mareas se puede extraer de las mareas impulsadas por la gravedad de la Luna ubicando una turbina hidráulica en una corriente de marea o construyendo presas de estanques que admiten o liberan agua a través de una turbina.
La turbina puede hacer girar un generador eléctrico o un compresor de gas, que luego puede almacenar energía hasta que sea necesaria. Las mareas costeras son una fuente de energía limpia, gratuita, renovable y sostenible.
Hidrógeno obtenido por fotosíntesis artificial
La fotosíntesis artificial es un campo de investigación que intenta replicar el proceso natural de la fotosíntesis, convirtiendo la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno.
A veces, dividir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante el uso de la energía solar también se conoce como fotosíntesis artificial. El proceso real que permite que se lleve a cabo la mitad de la reacción fotosintética general es la fotooxidación. Esta media reacción es esencial para separar las moléculas de agua porque libera iones de hidrógeno y oxígeno. Estos iones son necesarios para reducir el dióxido de carbono a combustible. Sin embargo, la única forma conocida de que esto sea posible es a través de un catalizador externo, uno que pueda reaccionar rápidamente y absorber constantemente los fotones del sol. La base general detrás de esta teoría es la creación de una fuente de combustible tipo “planta artificial”.
La fotosíntesis artificial es una fuente de combustible renovable y neutra en carbono, que produce hidrógeno o carbohidratos. Esto la distingue de otras fuentes populares de energía renovable (hidroeléctrica, solar fotovoltaica, geotérmica y eólica) que producen electricidad directamente, sin combustible intermedio.
Como tal, la fotosíntesis artificial puede convertirse en una fuente muy importante de combustible para el transporte. A diferencia de la energía de biomasa, no requiere tierra cultivable y, por tanto, no necesita competir con el suministro de alimentos.
Dado que la fase de la fotosíntesis independiente de la luz fija el dióxido de carbono de la atmósfera, la fotosíntesis artificial puede proporcionar un mecanismo económico para el secuestro de carbono, reduciendo la reserva de CO2 en la atmósfera y mitigando así su efecto sobre el calentamiento global. Específicamente, la reducción neta de CO2 se producirá cuando se utilice la fotosíntesis artificial para producir combustible a base de carbono que se almacene indefinidamente.
Poder de luz negra
A partir de 1986, el Dr. Randell L. Mills desarrolló la teoría en la que se basa el Proceso BlackLight. En 1989 se presentaron las solicitudes de patente originales y se publicaron las conclusiones del trabajo teórico. El Dr. Mills cree que ha logrado unificar la gravedad con la física atómica.
El poder de las olas
La energía de las olas es el transporte de energía por las olas de la superficie del océano y la captura de esa energía para realizar un trabajo útil, por ejemplo, para la generación de electricidad, la desalinización del agua o el bombeo de agua (a embalses).
La energía de las olas es distinta del flujo diurno de la energía de las mareas y del giro constante de las corrientes oceánicas.
La generación de energía de las olas no es actualmente una tecnología comercial ampliamente empleada, aunque ha habido intentos de utilizarla desde al menos 1890.
En 2008, se inauguró el primer parque de olas experimental en Portugal, en el Parque de Olas de Aguçadoura.
LA NANO ENERGÍA DE LA MATERIA Y LA ANTIMATERIA
Conseguir energía, renovable, limpia, amigable (no peligrosa), más barata, por el proceso de aniquilación; por ejemplo, la aniquilación de un electrón con un antielectrón (un positrón), (Petrescu y Petrescu, 2014, 2011).
El electrón y el positrón se obtienen extrayéndolos de los átomos; la extracción, consume una cantidad insignificante de energía. Luego, las dos partículas se acercan entre sí (colisión); ahora ocurre el fenómeno de la aniquilación, cuando la masa en reposo se convierte totalmente en energía (fotones gamma).
Se producen fotones gamma, tantos como sean necesarios para recuperar la energía total del electrón y del positrón (energía en reposo y energía cinética); normalmente se pueden obtener dos o tres partículas gamma (cuando tenemos una aniquilación menor, es decir, dos antipartículas con menor energía, cada una con un poco más que la masa en reposo, es decir, las partículas se aceleran con un movimiento de baja velocidad), pero podemos obtener más partículas cuando tenemos una alta aniquilación (es decir, cuando la energía de las partículas es alta y las partículas estaban fuertemente aceleradas antes de la colisión).
La energía en reposo de un par electrón-positrón supera ligeramente 1 MeV (lo que es una energía extremadamente grande de algunas partículas pequeñas, energía comparable a la que se logra mediante la fusión de dos partículas mucho más grandes, con una masa en reposo de aproximadamente 2000 veces mayor).
De ahí la primera gran ventaja del nuevo método propuesto, a saber, que si el fenómeno físico más complejo hasta ahora intentara introducir energía en el interior de la materia (fusión fría o caliente), sólo extraería alrededor de una milésima parte de la masa en reposo de la partícula, lo que daría como resultado en la fusión de dos partículas prácticamente sólo queda libre la brecha de energía entre las partículas de energía y su energía cuando están unidas, el método propuesto para extraer prácticamente toda la energía interna de las partículas es aniquilada.
Se empezó con el par electrón-positrón porque estas pequeñas partículas se extraen más fácilmente de los átomos (los átomos se regeneran inmediatamente de forma natural, lo que determina la naturaleza de la energía renovable a partir de la aniquilación de partículas).
El siguiente paso es probar la aniquilación entre un protón y un antiprotón, porque su masa es aproximadamente 1800 veces mayor que la del electrón y el positrón, lo que resulta en su aniquilación como energía aproximadamente 1000 veces mayor, es decir, en lugar de 1 MeV, 1 GeV (se considera como la única energía real obtenida, la energía donada por el protón del ion hidrógeno; pero la energía de un antiprotón se considera donada por nosotros casi en su totalidad, por ahora, porque para obtener hoy un antiprotón debemos acelerar algunas partículas a muy alta energía y luego chocan).
Por lo tanto, debe hacerse una comparación real entre el proceso de fusión de deuterones y aniquilación de un ion hidrógeno (protón) con un antiprotón. Será una diferencia de energía aproximadamente 1000 veces mayor por par de partículas utilizadas, a favor del proceso de aniquilación.
Prácticamente realiza el sueño de extraer energía de toda la materia.
Otra gran ventaja de este método es que no se producen sustancias radiactivas ni residuos radiactivos del proceso. De este proceso obtenemos sólo fotones gamma (es decir, energía) y posiblemente otras minipartículas energéticas. El proceso no representa ninguna amenaza para los seres humanos y el medio ambiente.
La energía producida es limpia. La tecnología necesaria es mucho más sencilla que la nuclear (fisión o fusión), más barata y más fácil de mantener. El proceso de aniquilación proporciona suficiente energía (prácticamente ilimitada), barata, limpia, segura, renovable inmediatamente (sostenible), con tecnología simplificada.
Puede extraer la energía de la masa en reposo de un electrón. Para un par de electrones y positrones, esta energía es de aproximadamente 1 MeV.
La "radiación sincrotrón (fuente de luz sincrotrón)" produce una fuente de radiación deliberada.
Los electrones se aceleran a altas velocidades en varias etapas para alcanzar una energía final (que suele estar en el rango de GeV).
Se necesitan dos sincrotrones, un sincrotrón para electrones y otro que acelere positrones.
Las partículas deben chocar después de acelerarse hasta un nivel de energía óptimo.
Todas las energías se recogen a la salida de los Sincrotrones, tras la colisión de las partículas opuestas.
Recuperará la energía de aceleración, y además también recogemos la energía restante de los electrones y positrones.
A una velocidad de 10^19 electrones/s obtenemos una energía de unos 7 GWh/año, si incluso se producen sólo la mitad de las posibles colisiones.
Esta alta velocidad se puede obtener con 60 pulsos por minuto y 10^19 electrones por pulso, o con 600 pulsos por minuto y 10^18 electrones por pulso.
Si se aumenta el caudal 1.000 veces se puede tener una potencia de unos 7 TWh/año. Este tipo de energía puede ser un complemento de la energía de fusión, y en conjunto deben sustituir la energía obtenida al quemar hidrocarburos. Las ventajas de la aniquilación de un electrón con un positrón, en comparación con los reactores de fisión nuclear, son la eliminación de residuos radiactivos, el riesgo de explosión y la reacción en cadena.
La energía de la masa en reposo del electrón se controla más fácilmente en comparación con la reacción de fusión, fría o caliente.
Ahora bien, no necesita de combustible radiactivo enriquecido (como en el caso de la fisión nuclear), de deuterio, litio y de neutrones acelerados (como en la fusión fría), de enormes temperaturas y presiones (como en la fusión caliente), etc.
Discusión
¿Cuánta energía se puede obtener del interior de la materia? Einstein ha demostrado que a partir de un kg de materia podríamos obtener la energía necesaria para toda la Tierra durante un año (EQ. 3.1):
E=m.c2=1[kg].(3.108)2[(m/s)2]=9.1016[j]=2,5.1010[KWh]=2,5.107[MWh]=2,5.104[GWh]= 25[TWh] (3.1)
Podría hacer esto, pero sólo si se pudiera extraer toda la energía del interior de la materia.
Mediante una reacción de fusión nuclear se puede extraer sólo una parte de la energía en reposo de las partículas utilizadas. Esta caída de energía (1/1000 de la energía másica de un par protón-neutrón) se llama discrepancia.
Para un kg de partículas de pares protón-neutrón, la energía de fusión es aproximadamente mil veces menor que la energía total de un kilogramo de materia (sólo 29 [GWh] de la energía interna total, 25 [TWh]); y considerando que se recuperará el 100% de la reacción de fusión, lo que no se puede hacer de todos modos.
En teoría, no podemos extraer del interior de la materia (mediante una reacción de fusión nuclear) más que como máximo una milésima parte de su energía. Teniendo en cuenta el rendimiento de la reacción de fusión nuclear, la energía obtenida es menor.
Mediante la reacción de fisión nuclear, las energías obtenidas serán aún menores.
La solución propuesta en este trabajo, obtener energía mediante la aniquilación mutua de dos partículas opuestas, hace posible la exigencia de extraer toda la energía contenida en la materia.
Un par formado por una partícula y su antipartícula, se acercan una al lado de la otra, a una distancia que permite el proceso de aniquilación recíproca.
Para aumentar el rendimiento de la reacción de aniquilación (el número de partículas aniquiladas de todas las partículas que existen), podemos acelerar las partículas y antipartículas por separado, y luego podemos enviarlas a una habitación donde encuentren la aniquilación a velocidades y energías altas, o a velocidades y energías muy altas.
Si se utilizan electrones y positrones para la reacción de aniquilación, se obtienen fotones del tipo gamma.
En este caso, para evitar la posible desintegración de los fotones obtenidos, nuevamente en electrones y positrones (para comenzar con éxito este proceso de aniquilación), las antipartículas y partículas utilizadas en el proceso de aniquilación deben colisionarse a bajas velocidades y con baja energía.
Entonces se puede probar la partícula de energía óptima que permite la reacción con el máximo rendimiento. Es necesario que la mayoría de las partículas y antipartículas utilizadas se encuentren y se aniquilen entre sí, y debe ser estable como muchas de las partículas gamma obtenidas.
Hay que apresurarse a implementar fuentes de energía adicionales ya conocidas y encontrar nuevas fuentes de energía. En estas condiciones, el método propuesto para la obtención de energía por aniquilación de materia y antimateria, puede ser una verdadera fuente alternativa de energía renovable.
NANOENERGÍA DE FUSIÓN NUCLEAR
Desde hace más de 60 años se investiga la fusión controlada, con el objetivo de producir energía de fusión para la producción de electricidad. Ha estado acompañado de dificultades científicas y tecnológicas extremas, pero ha resultado en progreso.
En la actualidad, las reacciones de fusión controladas no han podido producir reacciones de fusión controladas que alcancen el punto de equilibrio (autosostenibles).
Los diseños viables para un reactor que teóricamente entregará diez veces más energía de fusión que la cantidad necesaria para calentar el plasma a las temperaturas requeridas (ver ITER) originalmente estaban programados para estar operativos en 2018, sin embargo, esto se ha retrasado y no se ha fijado una nueva fecha. fijado.
Se necesita una energía considerable para forzar la fusión de los núcleos, incluso los del elemento más ligero, el hidrógeno.
Esto se debe a que todos los núcleos tienen una carga positiva (debido a sus protones) y, como cargas similares se repelen, los núcleos se resisten fuertemente a estar demasiado juntos.
Acelerados a altas velocidades (es decir, calentados a temperaturas termonucleares), pueden superar esta repulsión electrostática y acercarse lo suficiente como para que la fuerza nuclear de atracción sea lo suficientemente fuerte como para lograr la fusión.
La fusión de núcleos más ligeros, que crea un núcleo más pesado y, a menudo, un neutrón o un protón libre, generalmente libera más energía de la que se necesita para forzar la unión de los núcleos; Este es un proceso exotérmico que puede producir reacciones autosostenidas.
Se cree que la Instalación Nacional de Ignición de EE. UU., que utiliza fusión por confinamiento inercial impulsada por láser, es capaz de alcanzar un punto de equilibrio.
La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor que la energía que mantiene a los electrones en un núcleo.
Por ejemplo, la energía de ionización obtenida al agregar un electrón a un núcleo de hidrógeno es 13,6 eV, menos de una millonésima parte de los 17 MeV liberados en la reacción deuterio-tritio (D-T) que se muestra en el diagrama de la derecha.
Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear; las reacciones producen energías mucho mayores por unidad de masa, aunque las reacciones de fisión individuales son generalmente mucho más energéticas que las de fusión individuales, que son a su vez millones de veces más energéticas que las reacciones químicas.
Sólo la conversión directa de masa en energía, como la causada por la colisión de aniquilación de materia y antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.
Se debe superar una barrera energética sustancial de fuerzas electrostáticas antes de que pueda ocurrir la fusión. A grandes distancias, dos núcleos desnudos se repelen debido a la fuerza electrostática repulsiva entre sus protones cargados positivamente.
Sin embargo, si dos núcleos se pueden acercar lo suficiente, la repulsión electrostática puede ser superada por la fuerza nuclear de atracción, que es más fuerte a distancias cercanas.
Cuando un nucleón, como un protón o un neutrón, se añade a un núcleo, la fuerza nuclear lo atrae hacia otros nucleones, pero principalmente hacia sus vecinos inmediatos debido al corto alcance de la fuerza.
Los nucleones del interior de un núcleo tienen más nucleones vecinos que los de la superficie.
Dado que los núcleos más pequeños tienen una relación superficie-volumen mayor, la energía de enlace por nucleón debida a la fuerza nuclear generalmente aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo con un diámetro de aproximadamente cuatro nucleones. .
Es importante tener en cuenta que la imagen de arriba es un modelo de juguete porque los nucleones son objetos cuánticos, y así, por ejemplo, dos neutrones en un núcleo son idénticos entre sí, distinguiendo uno del otro, como por ejemplo cuál es en el interior y en la superficie, en realidad no tiene sentido, y la inclusión de la mecánica cuántica es necesaria para realizar cálculos correctos.
La fuerza electrostática, por otro lado, es una fuerza inversa al cuadrado, por lo que un protón agregado a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los demás protones en el núcleo.
La energía electrostática por nucleón debida a la fuerza electrostática aumenta ilimitadamente a medida que los núcleos crecen.
hora H
Con la ayuda de potentes láseres se puede crear plasma denso y altamente ionizado. Necesitamos plasma denso altamente ionizado para lograr la fusión nuclear (fría o caliente).
Desde 1989 se habla de lograr la fusión nuclear fría y caliente. Han pasado otras dos décadas y la humanidad todavía no se beneficia de la energía de fusión nuclear.
¿Qué sucede realmente? ¿Es un mito inalcanzable? También circuló por los medios que se ha logrado el calor de la fusión nuclear. Desde 1989 hay todo tipo de científicos con todo tipo de dispositivos elaborados, que afirman que pueden producir energía nuclear obtenida por fusión fría (usando plasma frío).
Puede ser que estos dispositivos funcionen, pero su rendimiento probablemente sea demasiado pequeño o, a mayor escala, no den los resultados esperados. Ésta es la verdadera razón por la que todavía no podemos utilizar el combustible de supervivencia (el deuterio).
Lamentablemente hoy en día los procesos dominantes que producen energía son la combustión (reacción) combinación química de carbono con oxígeno. La energía térmica liberada por tales reacciones se valora convencionalmente en aproximadamente 7.000 calorías por gramo.
Sólo los físicos de principios del siglo XX lograron producir energía de otra manera que no fuera por los métodos tradicionales. La liberación de energía por unidad de masa fue enorme en comparación con la obtenida mediante procedimientos convencionales.
El kilovatio resultante de la fisión de núcleos de uranio ocupa hoy una parte importante del equilibrio energético mundial.
Desafortunadamente, las centrales nucleares queman el combustible uranio, ya considerado convencional y en extinción.
La energía nuclear actual se considera una vía de transición hacia la energía termonuclear, basada en la fusión de núcleos ligeros.
La principal particularidad de la reacción de síntesis (fusión) es la alta prevalencia del combustible utilizado (primario), el deuterio. Se puede obtener de forma relativamente sencilla a partir de agua corriente.
Harold Urey extrajo por primera vez el deuterio del agua en 1931. Ya en aquella época, pequeños aceleradores electrostáticos lineales indicaban que la reacción DD (fusión de dos núcleos de deuterio) era exotérmica.
Hoy sabemos que no sólo el primer isótopo de hidrógeno (deuterio) produce energía de fusión, sino que el segundo isótopo (pesado) de hidrógeno (tritio) puede producir energía mediante fusión nuclear.
La primera reacción es posible entre dos núcleos de deuterio, de los cuales se puede obtener un núcleo de tritio más un protón y energía, o un isótopo de helio con un neutrón y energía (4.1-4.2).
13T+1MeV+11H+3MeV=13T+11H+4MeV (4.1)
12D+12D->23He+0,8MeV+1n+2,5MeV=23He+1n+3,3MeV (4.2)
Observaciones: un núcleo de deuterio tiene un protón y un neutrón; un núcleo de tritio tiene un protón y dos neutrones.
La fusión puede ocurrir entre un núcleo de deuterio y uno de tritio (4.3).
12D+13T->24He+3,5MeV+1n+14MeV=24He+1n+17,5MeV (4.3)
Se puede producir otra reacción de fusión entre un núcleo de deuterio y un isótopo de helio (4.4).
12D+23He>24He+3,7MeV+11H+14,7MeV=24He+11H+18,4MeV (4.4)
Para que estas reacciones se produzcan, es necesario que los núcleos de deuterio tengan suficiente energía cinética para superar las fuerzas electrostáticas de rechazo debidas a las tareas positivas de los protones en los núcleos.
Para el deuterio, para obtener energía cinética media se necesitan decenas de keV.
Para 1 keV se necesitan unos 10 millones de grados de temperatura. Por esta razón, la fusión en caliente requiere una temperatura de cientos de millones de grados.
La enorme temperatura se logra con láseres de alta potencia que actúan como plasma caliente.
Los campos electromagnéticos están dispuestos de manera que pueda mantener el plasma caliente.
Los mejores resultados se obtuvieron con las instalaciones tipo Tokamak.
ITER: el Tokamak más grande del mundo
ITER se basa en el concepto "tokamak" de confinamiento magnético, en el que el plasma está contenido en un recipiente de vacío con forma de rosquilla. El combustible (una mezcla de deuterio y tritio, dos isótopos de hidrógeno) se calienta a temperaturas superiores a 150 millones de grados centígrados, formando un plasma caliente. Se utilizan fuertes campos magnéticos para mantener el plasma alejado de las paredes; estos son producidos por bobinas superconductoras que rodean el recipiente y por una corriente eléctrica impulsada a través del plasma.
El combustible de deuterio se entrega en agua pesada, D2O.
El tritio se obtiene en el laboratorio mediante la siguiente reacción (4.5).
36Li+1n-->13T+24He+4,6MeV (4,5)
El litio, el tercer elemento de la tabla de Mendeleev, se encuentra en la naturaleza en cantidades suficientes.
Los neutrones acelerados que producen la última reacción presentada con litio, aparecen a partir de la segunda y tercera reacción presentada.
Las materias primas para la fusión son el deuterio y el litio. Todas las reacciones de fusión mostradas producen finalmente energía y He. Es un elemento (gas) inerte. Debido a esto, la reacción de fusión es limpia y muy superior a la fisión nuclear.
La fusión en caliente funciona con temperaturas muy altas.
En la fusión fría debe acelerar el núcleo de deuterio, en aceleradores lineales o circulares.
La energía final de los núcleos de deuterio acelerados debe estar bien calibrada para un rendimiento final positivo de las reacciones de fusión (más fusiones que fisiones).
Los campos electromagnéticos que mantienen el plasma (frío y especialmente caliente), deben ser constrictores (especialmente en la fusión fría), para presionar y acercar más los núcleos.
La energía potencial con la que dos partículas se rechazan, se puede calcular aproximadamente con la siguiente relación (4.6).
U=Ep=q1q2/(4pe0d12)=(1.602E-19)2/(4p8.8541853E-124E-15)=5.7664E-14[J]=5.7664E14x6.242E18[eV]=3.599E5[eV]= 360[keV] (4,6)
Para un keV es necesaria una temperatura de 10 millones de 0C. A 360 keV es necesaria una temperatura de 3600 millones de 0C. En fusión en caliente se necesita una temperatura de 3600 millones de grados (ver relación 3.9).
Sin un mínimo de 3000-4000 millones de grados no podemos realizar la reacción de fusión en caliente para obtener energía nuclear.
Hoy sólo hemos fabricado 150 millones de grados.
Para suplir la falta de temperatura necesaria, utiliza varios trucos.
En la fusión fría es necesario acelerar los núcleos de deuterio a una energía de 360 [keV] y luego colisionarlos con el combustible de la fusión fría (agua pesada y litio).
Fusión nuclear fría
Dado que todavía es difícil obtener la enorme temperatura necesaria para la fusión caliente, es hora de centrarnos en la fusión nuclear fría.
Necesita bombardear el combustible con núcleos de deuterio acelerados. El combustible se elaborará a partir de agua pesada y litio. Se probará la proporción óptima de litio. Sería preferible mantener el combustible en estado de plasma.
Entre el deuterio y el tritio, el radio más pequeño es el radio del núcleo de deuterio (5.1).
Deuterio A=2 A1/3=1.259921 --> RD=1.8268855223476E-15 [m] (5.1)
Tritio A=3 A1/3=1,44224957 --> RT=2,0912618769457E-15 [m]
Se calculó la distancia mínima entre dos partículas que se encuentran. Este es simplemente el diámetro de un núcleo de deuterio, d12D (5.2).
d12D=2RD=2x1.8268855223476E-15[m]=3.6537710446952E-15[m]=3.653771E-15[m] (5.2)
Los núcleos de deuterio que bombardearán el combustible nuclear serán acelerados con la (menor) energía que rechaza a los dos núcleos de deuterio vecinos (ver la relación siguiente, 5.3).
U=Ep=q1q2/(4pe0d12)=(1.602E-19)2/(4p8.8541853E-12x
x3.653771E-15)=6.3128464855E-14[J]=6.3128464855E-14
x6.242E18[eV]=3.94E5[eV]=3.94E2[keV]=394[keV] (5.3)
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