El pasado mes de marzo, los investigadores del Centro Nacional de Ignición hicieron una demostración de un láser de 1,1 megajulios diseñado para provocar reacciones de fusión nuclear en 2010. No obstante, la tecnología del centro, que se alberga en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, aún no es capaz de generar la suficiente cantidad de energía como para utilizarse en una planta nuclear a nivel práctico. Por tanto, y a pesar de que los físicos esperan con anticipación la demostración del año próximo, están trabajando en unos tipos de láser aún más potentes que pudieran hacer posible la creación de un método para un tipo de fusión inducida por láser llamada ignición rápida.

Esta semana, durante la reunión anual de la Optics Society of America en San José, California, unos investigadores de la Universidad de Texas presentaron planes para la construcción de un láser de exavatio que sería tres veces más potente que cualquier otro existente a día de hoy. Los láseres más potentes en la actualidad operan en el rango de los petavatios, o 10 elevado a la 15 potencia (un cuadrillón) vatios. Un exavatio es 10 elevado a la 18 potencia vatios. Los láseres de exavatios serán capaces de concentrar esa potencia en áreas del tamaño de micrómetros, creando unas enormes intensidades.

Una forma de aumentar la potencia de un láser es mediante la reducción de la duracción del pulso del láser. No obstante, trabajar con pulsos de láser del orden de los picosegundos o incluso fentosegundos es difícil puesto que este tipo de pulsos están hechos a partir de un amplio ancho de banda de frecuencias de luz que dañan el cristal óptico, incluyendo al cristal de fosfato que a menudo se utiliza para ampliar la luz de los láseres, como por ejemplo en el Centro Nacional de Ignición.

Todd Ditmire, director del Grupo de Ciencia de Láseres de Alta Intensidad en la Universidad de Texas en Austin, informó durante la reunión de esta semana que un nuevo tipo de cristal debería ser capaz de soportar los pulsos de luz intensos necesarios para crear un láser de exavatios. El cristal se doparía y se usaría para crear unos dispositivos llamados amplificadores—cuando la luz de los láseres brilla sobre el cristal amplificador, los iones del cristal absorben la luz y la reemiten con una energía más alta. “El cristal sólo es el anfitrión—es un material transparente que contiene los iones,” afirma Ditmire.

La ventaja de usar cristal en vez de otro material es que los fabricantes pueden utilizarlo con dispositivos de gran tamaño, lo que incrementa la potencia del haz resultante. Por el contrario, el zafiro de titanio puede hacer las veces de amplificador para láseres de alta potencia, pero es difícil utilizarlo en piezas grandes, señala Ditmire. En asociación con el fabricante alemán Schott, el grupo de Texas ha empezado a caracterizar las propiedades de su nuevo tipo de cristal, que combina silicato, el material del que están hechos los cristales normales, con el tantalio, un elemento metálico. Ditmire afirma que su grupo está trabajando en la actualidad con Schott para crear piezas más grandes del material y que serán ensambladas para construir el prototipo de láser.

Ditmire cree que la primera aplicación de los láseres de exavatios será como fuente de energía para los aceleradores de partículas médicos. Al bombardear a los tumores con protones se consiguen menos efectos secundarios que con las terapias de rayos x puesto que los protones liberan toda su energía de una vez, evitando los tejidos colindantes. Sin embargo, la tecnología de protones aún no se ha empezado a utilizar ampliamente puesto que en necesario contar un acelerador de partículas de gran tamaño. Los láseres de exavatios compactos deberían tener la potencia suficiente como para acelerar los protones en el uso de terapias médicas.

No obstante, la aplicación potencial más interesante de los láseres de exavatios es en las plantas eléctricas de fusión que dependiesen de un proceso conocido como ignición rápida. Durante las fases iniciales, el Centro Nacional de Ignición utilizará láseres de petavatios para comprimir una pequeña bola de combustible de oro hasta que se caliente y llegue a los 100 millones de grados Celsius, provocando la fusión. Durante la conferencia esta semana, los investigadores también informaron que habían completado otro paso dentro del camino hacia las reacciones de fusión controladas, y describieron una serie de tests preliminares de su sistema utilizando un pulso de 500.000 julios para implosionar una pequeña bola de combustible de fusión.

La ignición rápida funciona de forma distinta. En vez de un único pulso, la técnica utilizaría unos láseres de potencia más baja para “comprimir el combustible si preocuparse acerca de su calentamiento, y después un láser con pulso corto [de exavatios] que actúe como chispa,” provocando la reacción de fusión, afirma Ditmire.

“Existe una controversia acerca de si el proyecto funcionará o no,” admite Ditmire. Apuntar con un pulso tan corto puede que sea problemático. En teoría, no obstante, el proceso de ignición rápida debería utilizar menos energía para funcionar. La medida más importante del rendimiento de un reactor de fusión es su ganancia, o la proporción de energía requerida para operar los láseres frente a la cantidad de energía producida por la reacción. El objetivo del centro de Livermore es una ganancia de entre 15 y 20. “Necesitas una ganancia de 100 para construir una planta eléctrica de fusión, y los cálculos muestras que los láseres de exavatios podrían alcanzar esa cifra,” señala Ditmire.

No obstante el nuevo material de cristal no es la única pieza clave para construir el láser de exavatios. El grupo de Ditmire también ha tenido éxito con las nuevas técnicas de amplificación para producir pulsos de muy corta duración utilizando el Láser de Petavatios Texas de la universidad. Según Ditmire, el truco para conseguir altos niveles de potencia es una técnica llamada gorjeo, mediante la que se separan distintas frecuencias de luz, se pasan a través de amplificadores de cristal, y después de pasan por un compresor para volverlas a unir en un único láser de alta potencia. El método del grupo de Texas combina distintos tipos de amplificadores de cristal para este proceso, permitiendo una mayor compresión de la luz y, por tanto, incrementando la potencia resultante. Durante la reunión, Ditmire informó haber utilizado esta técnica para crear pulsos de 100 femtosegundos.

Ditmire no es el único investigador dedicado al desarrollo de láseres de exavatios. El inventor del gorjeo, Gérad Mourou desde la Escuela Politécnica en Francia, encabeza un proyecto de láser de exavatios europeo llamado ELI, o Extreme Light Infraestructure. El grupo europeo tiene previsto utilizar amplificadores de zafiro de titanio en vez de cristal convencional.