Fusión: usar una lente para enfocar la energía de una estrella

Un XKCD muy relevante

La parte importante de su problema es que una lente no puede enfocar la luz a una intensidad mayor que su fuente. Entonces, lo más caliente que podrías hacer usando muchas lentes es tan caliente como la superficie de las estrellas. Para nuestro sol, eso funciona a ~ 5000 ° C, que es bastante caliente, pero no se acerca a las temperaturas en el interior del sol o proporciona suficiente energía para iniciar la fusión.

No.

Esta pregunta estaba en la pila de física. https://physics.stackexchange.com/questions/69652/concentrating-sunlight-to-initiate-fusion-reaction

Aquí hay un texto copiado de la respuesta de la pila de física, en caso de que haya problemas al hacer clic para leerlo.

La segunda ley le impide usar el Sol (o cualquier cosa) para calentar un objeto a una temperatura mayor que la superficie del Sol. De lo contrario, podría tomar una caja de gas en equilibrio, dividirla en dos mitades, usar lentes y espejos para enfocar la radiación de la mitad izquierda en la mitad derecha y elevar la temperatura de la mitad derecha. Luego, podría usar esa diferencia de temperatura para hacer funcionar un motor, extrayendo así trabajo de un gas equilibrado en flagrante violación de la segunda ley.

Probablemente depende. Podría ser posible para algunos tipos de reactores de fusión, pero realmente se está enfocando en el problema equivocado. Obtener tritio o deuterio o cualquier combustible de fusión que tenga lo suficientemente caliente para iniciar la fusión no es difícil. Sostener la reacción y extraer energía de ella es la parte difícil.

Como se observó en otras respuestas , y básicamente la misma pregunta en Physics Stack , la limitación de una lente es que no puede calentar nada más allá de la temperatura del cuerpo del que enfoca la luz, y la superficie de una estrella no es lo suficientemente caliente para un reacción de fusión sostenida.

Habiendo dicho eso, un tipo de fusión que los humanos hemos explorado (y todavía estamos explorando, que yo sepa) se llama fusión por confinamiento inercial , y básicamente usa láseres para generar ondas de choque en una pastilla de combustible, comprimiéndola y calentándola lo suficiente como para generar una (breve ) reacción de fusión.

La fusión por confinamiento inercial (ICF, por sus siglas en inglés) es un tipo de investigación de energía de fusión que intenta iniciar reacciones de fusión nuclear calentando y comprimiendo un objetivo de combustible, generalmente en forma de gránulos que generalmente contienen una mezcla de deuterio y tritio.

Para comprimir y calentar el combustible, se envía energía a la capa exterior del objetivo mediante haces de luz láser, electrones o iones de alta energía, aunque por diversas razones, casi todos los dispositivos ICF a partir de 2015 han utilizado láseres. La capa exterior calentada explota hacia afuera, produciendo una fuerza de reacción contra el resto del objetivo, acelerándolo hacia adentro y comprimiendo el objetivo. Este proceso está diseñado para crear ondas de choque que viajan hacia adentro a través del objetivo. Un conjunto suficientemente potente de ondas de choque puede comprimir y calentar tanto el combustible en el centro que se producen reacciones de fusión.

La energía liberada por estas reacciones calentará el combustible circundante y, si el calentamiento es lo suficientemente fuerte, también podría comenzar a fusionarse. El objetivo de ICF es producir una condición conocida como ignición, donde este proceso de calentamiento provoca una reacción en cadena que quema una parte significativa del combustible.

Sugeriría que con la ciencia de los materiales y la ingeniería de estos gránulos de combustible lo suficientemente inteligente, podría ser posible lograr lo mismo con un intenso estallido de luz solar enfocada, en lugar de un láser (como lo hacemos ahora), aunque es cierto que parece un largo camino por recorrer para hacerlo de esa manera en lugar de usar láseres como lo hacemos ahora, y una técnica completamente diferente, como el confinamiento magnético , es probablemente una mejor apuesta para la energía de fusión como fuente de energía.

El principal problema técnico con la creación de una reacción de fusión no es alcanzar la temperatura necesaria, sino mantener la reacción y extraer energía de ella. Hasta ese momento, al menos 5 países (y posiblemente hasta 9) han probado con éxito reactores de fusión hasta el momento, aunque el término más común para ellos es "bombas de hidrógeno" (una bomba de fisión se usa para calentar y comprimir una carga útil de tritio, que luego crea una explosión de fusión más poderosa).

Así que te sugiero que te centres en el problema equivocado, en lo que respecta a la fusión. Calentar lo suficiente el combustible de fusión para crear la fusión es relativamente fácil, y hemos podido hacerlo durante más de 50 años. La parte que aún no hemos logrado es mantener la reacción de una manera en la que podamos extraer energía utilizable, y ahí es probablemente donde sus científicos también tendrían problemas.

¿Enfocar el sol con una lente grande y crear temperaturas de fusión? No, como muy bien respondido por XKCD y respuestas anteriores en SE.

Sin embargo.

La fusión por confinamiento inercial con láser es algo real. Entonces, su solución más simple (aunque poco elegante) es construir algo como la Instalación Nacional de Ignición en el espacio, alimentada por energía fotovoltaica.

¿Busca una solución más "elegante" que la fotovoltaica? Los láseres de bombeo solar son algo real, aunque todavía una tecnología muy poco desarrollada. Un sistema suficientemente grande y sofisticado podría usar energía solar concentrada para "cargar" (bombear ópticamente) un medio láser, lo que permitiría la entrega de un poderoso haz enfocado para desencadenar una reacción de fusión ICF. Lea sobre el NIF en Wikipedia e imagine que la línea de haz principal se bombea con energía solar concentrada en lugar de lámparas de destello. ¿Qué tan grande tendría que ser? Eso está mucho más allá de mi nivel de experiencia. Pero no se limite a visualizar grandes lentes de vidrio. Piense en estructuras de telaraña de Mylar reflectante. Enormes superficies parabólicas, o canales de cientos de metros de ancho y kilómetros de largo con cilindros de medio láser en fase de gas o plasma corriendo por el centro. También, mirar en lentes de fresnel. Simplemente grabar el patrón de difracción correcto en una hoja plana transparente puede crear un gran concentrador solar.

Y un gran saludo al sistema de defensa de asteroides Ringworld de Larry Niven que consiste en láseres UV alimentados por erupciones solares.

Otras respuestas han demostrado por qué una lente en tiempo real no es posible para esta configuración. Sin embargo, si puede almacenar la energía del sol y liberarla al mismo tiempo, puede usarse para iniciar una reacción de fusión. En su caso, una batería alimentada por la luz enfocada de una lente puede cargarse con el tiempo y usarse para producir láseres de ráfagas más cortas que pueden iniciar una reacción de fusión.

La respuesta de Kengineer toca esto, pero no creo que este punto se haya destacado lo suficiente.

Enfocando la luz del sol para crear fusión, no, enfocando el poder del sol a través del viento solar para crear fusión, sí. La fusión a través del enfoque de lentes ha sido cubierta por otros, no puede obtener una temperatura superior a 5000C.

Pero puedes enfocar el viento solar usando un espectrómetro de masas con un tokamak al final para la fusión. El viento solar es esencialmente plasma hecho de electrones, protones y partículas alfa (núcleos de helio) más un pequeño porcentaje de elementos más pesados, todos viajando a 500 km/s del sol, aunque de alta energía es muy difuso. Primero, canaliza una parte del viento solar hacia un espectrómetro de masas, digamos el 5%, lo que sería alrededor de 50 millones de kg/s para ser recolectados. Aunque solo un pequeño % de eso te será útil.

Luego, utilizando el MS, separa los núcleos de deuterio (H2), tritio (H3) y He3, expulsando (o recolectando) todo lo demás. Al final del MS, separa y recolecta el deuterio, el tritio y el He3 en tres tokamaks masivos (plasma de confinamiento magnético en forma de rosquilla a temperaturas y presiones muy altas). Después de recolectar suficiente plasma en cada uno de los tres tokamaks, cambia el deuterio y corrientes de tritio para que el deuterio entre en el tokamak de tritio y viceversa. Ahora los tres tokamaks finalmente alcanzarán la fusión y crearán más energía de la que pones, por lo que necesitarás mantener la MS y los tokamaks y usar el sobrante para lo que necesite tu civilización.

Hay sistemas de energía que utilizan un principio de luz de enfoque: https://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power

Sin embargo, si necesita ser fusión, hay muchos métodos para iniciarlo, con los componentes correctos (y blindaje) puede construir uno en su garaje como esta persona cuando tenía 14 años: https://en.wikipedia . org/wiki/Taylor_Wilson

El problema con nuestra comprensión actual de los reactores de fusión es que requieren más energía para contener y mantener la reacción de la que producen.

Algunas propuestas han puesto en órbita grandes paneles solares y luego han enviado la energía a través de microondas a un receptor. No estoy seguro de si eso te ayuda, pero un desastre clásico de SimCity fue que este rayo no llegaba al receptor.