Investigadores del Lawrence Livermore National Laboratory recrearon con éxito las condiciones extremas de Urano y Neptuno mediante láseres, resolviendo un misterio de 20 años sobre el derretimiento del diamante y abriendo el camino para triplicar la ganancia de energía en sistemas de fusión inercial.
Bajo las tenues capas atmosféricas de Neptuno y Urano, el carbono desciende en forma de lluvia de diamantes a través de atmósferas medias caracterizadas por temperaturas y presiones colosales. Replicar estas condiciones extremas en un laboratorio terrestre ha sido un desafío histórico para la ciencia planetaria y la física de alta densidad de energía. Ahora, un equipo del Lawrence Livermore National Laboratory en el norte de California ha logrado someter diminutas muestras de carbono a presiones mayores que las registradas en el centro de Urano y Neptuno, midiendo con precisión sin precedentes su estructura atómica, temperatura, densidad y reflectividad óptica, según el informe publicado por el LLNL.
Compresión dinámica por láser y resolución de un enigma de dos décadas
Durante décadas, la comunidad científica ha lidiado con discrepancias notables entre los datos experimentales y los modelos teóricos sobre el comportamiento del diamante bajo presiones extremas. Hace aproximadamente veinte años, experimentos pioneros dirigidos por el científico Jon Eggert revelaron un fenómeno poco común: el diamante se vuelve más denso al derretirse. Marius Millot, físico e investigador del LLNL, explicó en declaraciones difundidas por el LLNL que, así como el agua líquida es más densa que el hielo, lo que hace que los cubitos de hielo floten, el hallazgo de Jon significaba que el diamante flotaría en carbono líquido a altas presiones.
A pesar de aquel avance pionero, persistía una diferencia cercana al 20% entre las temperaturas de fusión observadas en el laboratorio y las predichas por simulaciones avanzadas por computadora. Además, experimentos independientes realizados en Sandia National Laboratories utilizando campos magnéticos extremos en la máquina Z sugirieron que el diamante podría adoptar una estructura cristalina intermedia antes de convertirse por completo en líquido. Sin embargo, carecían de la capacidad para observar directamente la estructura atómica durante la compresión.
Para disipar estas dudas, el equipo recurrió a las instalaciones del Omega Laser Facility en el Laboratory for Laser Energetics de la University of Rochester. Mediante pulsos láser de alta energía, los científicos vaporizaron la capa exterior de una muestra microscópica para desatar una onda de choque implacable a través del diamante interior. Debido a que el carbono es un átomo ligero que dispersa muy pocos rayos X, la señal resultante era sumamente tenue y requirió herramientas de diagnóstico mejoradas.
Nuevos datos sobre la fusión por confinamiento inercial
Las mediciones recientes no solo zanjaron la disparidad de temperatura de dos décadas —ajustando los registros previos que diferían en más de 1,000 grados—, sino que también descartaron la fase cristalina intermedia sugerida en Sandia.
Este hallazgo tiene repercusiones directas sobre los programas de energía de fusión. Desde la construcción del National Ignition Facility en 1997, los físicos han perfeccionado la fusión por confinamiento inercial, un proceso que parte de una diminuta cápsula de diamante que encierra combustible nuclear y es implosionada mediante láseres potentes. Mantener el diamante fundido como un fluido uniforme resulta vital para sostener la reacción.
Marius Millot, físico del LLNL, indicó vía Gizmodo que su trabajo indica que podrían utilizar choques iniciales ligeramente más lentos y aun así lograr el derretimiento completo del diamante en sus implosiones en el NIF, lo cual resulta emocionante porque un choque más lento de ese tipo haría que el combustible de fusión fuera más compresible, lo que a su vez incrementa el rendimiento máximo de energía que podrían obtener con la misma energía láser.
Estas observaciones publicadas en la revista Nature Physics proporcionan puntos de referencia a escala atómica para refinar las simulaciones cuánticas sobre la materia en el interior de los gigantes helados del sistema solar, al tiempo que acercan a los ingenieros terrestres al objetivo de optimizar el rendimiento energético en plantas de fusión futuras.
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