En la película de 1990 La caza del Octubre Rojoun capitán naval soviético interpretado por Sean Connery, pilota un submarino propulsado por un “motor magnetohidrodinámico” que es indetectable para el sonar militar.
Un cuarto de siglo después, la empresa británica Tokamak Energy apoya un programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos para hacer realidad la propulsión marina silenciosa.
La colaboración con Darpa es una de las varias formas en que la empresa de fusión nuclear busca monetizar una década de trabajo en imanes superconductores de alta temperatura, que, según afirma, pueden transformar sectores desde el transporte público hasta las imágenes médicas.
“Lo que queremos hacer aquí es marcar el comienzo de la era de los HTS”, dijo Liam Brennan, director de TE Magnetics, que Tokamak Energy lanzará oficialmente la semana próxima. “Queremos sacar esos imanes y ponerlos en funcionamiento”.
Tokamak Energy, una empresa escindida de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido en 2009, tiene como principal negocio la fusión nuclear, donde la empresa con sede en Oxfordshire compite con otras 40 en todo el mundo para ser la primera en desarrollar una planta de energía capaz de producir energía limpia comercialmente viable mediante la fusión de isótopos de hidrógeno.
La perspectiva de recrear la reacción que alimenta al sol ha fascinado a los científicos durante décadas. La reacción libre de carbono no crea residuos radiactivos de larga duración, los isótopos se pueden obtener en grandes cantidades y una pequeña taza de combustible tiene el potencial de alimentar una casa durante cientos de años.
Pero después de 60 años de experimentos ningún grupo ha sido capaz de perfeccionar la tecnología y no hay garantía de que el sueño de las plantas de energía de fusión se haga realidad.
El método más común para la fusión consiste en utilizar imanes para suspender un plasma de dos isótopos (normalmente deuterio y tritio) en un dispositivo llamado tokamak. A continuación, los isótopos se calientan a temperaturas extremas diez veces superiores a las del centro del Sol, de modo que los núcleos se fusionan y producen helio y energía.
La primera generación de imanes utilizados en tokamaks experimentales como el JET de Oxfordshire, que comenzó a funcionar en 1983, estaban hechos de cobre. Instalaciones más recientes, como la china EAST, que produjo su primer plasma en 2006, utilizan los llamados imanes superconductores de baja temperatura.
Tokamak Energy utilizará sus imanes HTS especialmente diseñados, enrollados a partir de una cinta innovadora que puede generar un campo magnético mucho más fuerte, a temperaturas más altas, que los imanes LTS. El componente crucial de la cinta recubierta de cobre es una capa (del ancho de un cabello humano) de óxido de cobre y bario, un material superconductor de tierras raras.
Mientras que los materiales LTS deben enfriarse utilizando helio líquido costoso a temperaturas cercanas al cero absoluto (menos 273 °C), la cinta rebco exhibe propiedades superconductoras a aproximadamente menos 200 °C, lo que hace que los sistemas basados en HTS sean potencialmente más baratos y más potentes.
En 2019, Tokamak Energy construyó y probó el imán HTS de mayor campo del mundo, logrando un campo récord de 24 teslas a una temperatura de -253 °C. Los imanes del dispositivo JET, que fue desmantelado este año, solo podían generar campos magnéticos de hasta 4 teslas.
“Hemos demostrado con nuestros imanes que podemos hacerlos muy fiables, estables y consistentes, y ese es el punto de inflexión”, afirmó Brennan. “Hace siete años esto no se podía hacer”.
Los avances de Tokamak Energy en tecnología de imanes son vitales para sus planes de fusión. Mientras que la mayoría de los tokamaks existentes tienen forma de rosquilla, la empresa planea construir uno esférico más compacto, lo que requerirá que los imanes de la máquina funcionen con la mayor eficiencia posible.
Su objetivo es construir una planta piloto capaz de suministrar electricidad a la red a principios de la década de 2030. El próximo dispositivo de fusión del gobierno del Reino Unido, STEP, utilizará un diseño similar.
Para probar la ciencia y la ingeniería de sus imanes, Tokamak Energy ha construido un dispositivo de demostración en sus instalaciones de las afueras de Oxford. Cuando esté terminado este año, tendrá 3,2 metros de altura e incluirá 44 bobinas magnéticas de cinta HTS dispuestas en una formación esférica alrededor de un núcleo central. La máquina reproducirá las fuerzas requeridas en una planta de energía de fusión, produciendo un campo magnético de 18 teslas, casi un millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.
Sin embargo, las posibles aplicaciones de los imanes de HTS van más allá de la fusión. La capacidad de funcionar sin necesidad de un costoso enfriamiento con helio líquido y una alta tolerancia a la vibración hacen que los imanes de HTS sean ideales para su uso en escáneres de resonancia magnética en hospitales y otros equipos de imágenes científicas que actualmente utilizan materiales de LTS, dijo Brennan. Dijo que otras aplicaciones de las cualidades superconductoras del HTS también podrían incluir la reducción del tamaño de los motores eléctricos para trenes.
El programa Darpa sobre propulsión marítima requiere imanes HTS, dijo, porque busca construir unidades magnetohidrodinámicas que produzcan campos magnéticos de 20 tesla.
El único sistema de propulsión de este tipo que se ha probado hasta ahora fue desarrollado por la japonesa Mitsubishi en los años 90 y luego abandonado. El sistema generaba un campo magnético de aproximadamente 4 teslas, que propulsaba con éxito un barco de 30 metros, pero sólo a velocidades de 6,6 nudos (unos 12 km/h).
Tokamak Energy afirma que, al vender su experiencia en imanes a otras empresas e industrias de fusión, puede aliviar sus futuras necesidades de financiación. Las empresas de fusión del sector privado han recaudado alrededor de 7.000 millones de dólares en inversiones hasta la fecha, pero la recaudación de fondos es un desafío mientras los ingresos de la energía de fusión comercial sigan al menos a una década de distancia.
Tokamak Energy, que emplea a unas 250 personas, se encuentra en medio de otra ronda de financiación, tras haber conseguido anteriormente 250 millones de dólares de inversores privados y subvenciones gubernamentales. Al menos 50 millones de dólares de esa cantidad se han gastado en el desarrollo de imanes.
«Es una historia de inversión muy difícil porque los inversores de capital de riesgo típicos buscan un retorno en un período de tiempo definido, y el negocio de imanes nos ayuda en ese aspecto porque realmente podemos señalar un retorno», dijo Christian Lowis, asesor general de la empresa.
La empresa ya ha firmado contratos relacionados con HTS con varios clientes y estima que TE Magnetics podría generar £8 millones en ingresos anuales el próximo año y £300 millones al año para finales de la década.
“La clave de nuestro modelo es ser dueños del diseño de los imanes”, dijo Lowis. “Ya sea que fabriquemos los imanes, subcontratemos la fabricación a otra persona, sublicenciamos la propiedad intelectual a otra persona o incluso la sublicenciamos a otra empresa de fusión para que la fabrique ellos mismos, todas son opciones potenciales”.
Gráficos de Ian Bott