La obtención de energía por parte de las estrellas

Los distintos procesos de fusión nuclear llevados a cabo por las estrellas reciben el nombre de nucleosíntesis estelar, o “formación de núcleos”.
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Como hemos comentado en numerosas entradas, las estrellas obtienen energía mediante procesos de fusión nuclear. Vamos a detallar en esta entrada, los distintos tipos de reacciones que ocurren en distintos tipos de estrella, y los explicaremos de forma simple. Los distintos procesos de fusión nuclear llevados a cabo por las estrellas reciben el nombre de nucleosíntesis estelar, o “formación de núcleos”, ya que las estrellas crean elementos nuevos, cada vez más pesados al fusionar.

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En la parte superior la supergigante azul Rigel, en la constelación de orión. En la parte inferior la nebulosa cabeza de bruja (Witchhead nebula).

La fusión del hidrógeno es la forma más elemental y más eficiente de producir energía. En dicho proceso, se combinan cuatro núcleos de hidrógeno para crear un núcleo de helio. La energía producida en dicha reacción es fácilmente calculable por la equivalencia masa energía formulada por A. Einstein. Dicha energía es de aproximadamente 26,7 MeV (Mega Electron-voltios).

Un pequeño inciso en física nuclear, para entender como ocurre esto. Supongamos este mismo caso real, en el que cuatro núcleos de hidrógeno son fusionados para formar uno de helio. Sabiendo la masa de cada núcleo de hidrógeno (masa de un protón), la masa del núcleo de helio debería ser cuatro veces la del hidrógeno. Esto en la práctica no es así, la masa del núcleo de helio es menor que la de cuatro protones libres. Lo que sucede es que, parte de la masa de los protones es transformada a energía, en forma de enlace nuclear fuerte (la fuerza que mantiene unido el núcleo de helio). Entonces decimos que hay un defecto de masa, y este defecto de masa es la energía que se obtiene al fusionarse los núcleos.

Pero los núcleos de hidrógeno no son los únicos que se pueden fusionar. La fusión libera energía hasta el Fe-56, lo que se llama en astrofísica el pico del hierro. Entendemos pues la fusión como el proceso contrario a la fisión (unión y separación). Los núcleos con más nucleones, esto es protones y neutrones, son más fisibles que los que contienen menos. Por contrapunto los núcleos con menos cantidad de protones y neutrones (más pequeños) son más aptos para la fisión. Llegamos hasta el hierro, donde la fusión del mismo ya no nos da energía. Llegados a este punto una estrella no puede obtener más energía de la fusión.

Para hacernos una idea, la máxima energía que se obtiene de fusionar el hierro es de 8,4MeV. Esta energía es mucho menor que la de casi 27MeV, además que los núcleos de hierro son mucho más masivos, lo que quiere decir que habrá menos para una cantidad fija de masa. Esto es lógico ya que el Fe-56 tiene 56 nucleones y el núcleo de H solamente uno. No es raro pues que en el universo haya relativa abundancia de Fe-56 por encima de otros isótopos, con diferencia.

Volviendo a la fusión del hidrógeno (hydrogen burning, en inglés). La serie de reacciones más común es la llamada reacción protón-protón, o cadena p-p. Esta reacción es la más frecuente en estrellas de la secuencia principal tales como nuestro Sol. El proceso es relativamente elaborado pero el global resulta en la reacción ya mencionada, unir cuatro núcleos de hidrógeno en uno de helio. La misma cadena tiene distintas ramas, siendo las más destacables la I, la II y la III (cada una obteniendo menor energía que la anterior). La rama I es la principal, tomando más relevancia la II y la III cuanto mayor es la temperatura de la estrella.

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La cadena p-p con sus tres ramas, siendo la I la más abundante seguido de la II.

 

Otra forma de obtener energía mediante la fusión es el llamado ciclo CNO. Se refiere a carbono, nitrógeno y oxígeno. Este ciclo es usado para el mismo fin que la cadena p-p, obtener energía fusionando hidrógeno y obteniendo helio. Estos tres elementos (C, N y O) son meros catalizadores, su cantidad es fija y solamente propician la reacción sin ser alterados de ninguna forma.

 

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El ciclo CNO

Ahora que conocemos los principales procesos de fusión del hidrógeno, vamos a pasar al siguiente paso lógico: ¿Qué pasa cuando la estrella ha fusionado todo su hidrógeno? Esto es harto complicado, pero ciertamente cuando el helio empieza a ser abundante y el hidrógeno a agotarse, otro proceso se lleva a cabo. Este proceso se llama triple-alfa, ya que involucra a tres núcleos de helio (partículas alfa) para crear C-12. Esta es la siguiente etapa en la evolución de una estrella de la secuencia principal. Para que ocurra este proceso, es necesaria una gran temperatura. Vamos a entender exactamente qué pasa.

 

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El proceso triple-alfa

 

La estrella ha fusionado prácticamente todo el hidrógeno en helio y ya no puede mantener el ritmo de fusión ya que se está agotando el hidrógeno. Grandes cantidades de helio se acumulan en el núcleo (ya que el helio es más pesado que el hidrógeno). Al no poder la estrella obtener tanta energía, pierde el equilibrio hidrostático y su núcleo se colapsa ligeramente y se contrae. Esta presión aumenta la temperatura del núcleo y permite que se llegue a temperaturas de hasta cien millones de grados, y se lleve a cabo el proceso triple-alfa. En parte es necesaria dicha temperatura ya que uno de los primeros pasos, es ligeramente endotérmico.

La quema del carbono y elementos posteriores son menos frecuentes y liberan, como hemos dicho, una energía mucho menor. Debido a su menor relevancia, no entraremos en detalles en esta entrada. Comentar que dichos núcleos son del neón, del oxígeno y finalmente del silicio. Cada proceso al tener la estrella menos cantidad de los núcleos disponibles, y estos al proporcionar menos energía, duran menos. El caso más curioso es el del silicio, que permite a la estrella sobrevivir tan solo un último día más antes de colapsar y morir. Se puede apreciar en la siguiente ilustración, junto a lo anteriormente explicado:

 

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Saludos y hasta la próxima

Kapteyn

 

Reactores de fusión nuclear

Los reactores de fusión nuclear son unos de los principales responsables de dar energía eléctrica en todo el mundo, así que vamos a hablar de ellos.
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Recientemente se ha puesto en marcha un reactor de fusión en el Instituto Max Planck de física del plasma (Alemania), el Wendelstein 7-X. Aprovecharemos la noticia para hablar un poco sobre dos tipos de reactores de fusión nuclear que son bastante usados en la actualidad. El más popular quizá es el reactor de origen ruso Tokamak. Tiene una geometría de forma toroidal (de donut, para que nos entendamos) y usa confinamiento magnético. Esto significa que el plasma resultante de la fusión nuclear está levitando en su interior, confinamiento magnético. Este mismo sistema se usa en el reactor stellarator (o reactor estelar).

Vamos a entrar un poco en las bases físicas que sostienen todo esto. El plasma es un estado de agregación de la materia por el cual, los electrones de la misma se mueven con libertad por dicho plasma (podríamos definirlo como una especie de fluido). Esto le confiere carga al plasma, por lo que se puede aplicar fuerzas de Lorentz. Dicha fuerza es la recibida por una partícula cargada (el plasma) en el seno de un campo electromagnético. Entonces, si creamos un campo electromagnético uniforme en todas direcciones deberíamos poder contener el plasma en la zona central de una estructura en forma de tubo. El problema de esto es que, el plasma recibiría una fuerza que haría que se saliera de dicho tubo. La solución es sencilla, unir el tubo con si mismo, creando así una estructura de forma toroidal.

Interior del Wendelstein 7-X

Como crear el campo electromagnético es sencillo, se añaden unas bobinas alrededor de la estructura ya descrita. El problema reside en que, en la zona exterior del toro, el campo magnético será menos intenso ya que la superficie en dicha zona es mayor que en la de la parte interior. Esto provoca fluctuaciones que resultan en pérdida de confinamiento de parte del plasma. Debemos entender que dicho confinamiento es necesario, ya que durante la fusión se adquieren temperaturas muy elevadas. El Wendelstein 7-X ha alcanzado temperaturas de un millón de grados Celsius, y se prevé que pueda alcanzar los 100, mayores que las del interior de nuestro Sol. Este plasma en contacto con cualquier material, lo derretiría inmediatamente, perdiéndose así el confinamiento y escapándose el plasma, una catástrofe. Es por esto que es esencial que el plasma levite, y haya el vacío a su alrededor. Recordemos que esencialmente hay tres tipos de transferencia de calor, dicho de forma rápida e imprecisa estarían los de “contacto directo” y de “fluctuación” de un gas o líquido (conducción y convección) y finalmente está el que nos interesa, el de radiación (la “luz” que emite la materia). Al estar en el vacío, no hay aire que pueda calentarse y transferir el calor del plasma a la estructura, y al estar levitando no toca las paredes de la misma. Así que solo hay pérdida por radiación.

Ahora entendemos la importancia del confinamiento electromagnético del plasma. El tokamak soluciona el problema antes descrito, induciendo una corriente en el propio plasma que lo compensa. Las dificultades residen en que este propio flujo de electrones desestabiliza el plasma en si. La solución del stellarator es añadir electroimanes en la zona donde sea requerido, además que las bobinas del mismo son helicoidales y no circulares.

El Wendelstein 7-X en construcción.

El tokamak es especialmente famoso ya que del dicho tipo es el nuevo reactor de fusión ITER que está actualmente en construcción en Francia, y en el proyecto han participado numerosos países tales como EEUU, Japón, la Unión Europea, Rusia, China, la India… Estará en funcionamiento sobre el 2020, y nos ayudará a entender más a fondo la fusión nuclear, y su viabilidad como fuente de energía limpia. Tengamos en cuenta que, no se ha conseguido estabilizar la reacción de fusión para que se obtenga más energía de la que se aporta para “encender” el reactor. Entonces, la fusión nuclear existe y podemos producirla, pero a cambio de pérdida de energía (hecho poco deseable). Un gran punto a favor de este fuente de energía es que, si bien el deuterio es reactivo, los productos de la reacción no lo son (helio, gas inerte y ya existente en relativa abundancia en nuestro planeta), por lo que es una energía limpia.

El complejo del ITER en construcción.

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn