Recrean las condiciones de una estrella en un laboratorio: cómo este avance podría cambiar el futuro de la energía

Un equipo internacional de científicos liderado por investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) registró, con precisión de billonésimas de segundo, el proceso por el cual un láser transforma metal en plasma, un estado de la materia comparable al de las estrellas. La observación abre el camino para perfeccionar la investigación en fusión láser, considerada a largo plazo como una opción para obtener energía limpia, según informó el portal de divulgación científica Science Daily.

La relevancia del experimento, publicado en la revista científica Nature Communications, radica en la capacidad de esos investigadores de observar la formación y disolución de iones altamente cargados de cobre en lapsos de hasta diez picosegundos, es decir, diez billonésimas de segundo. Nadie había conseguido antes analizar con tal precisión los mecanismos de ionización inducidos por láser en condiciones tan extremas, señaló Tom Cowan, exdirector del Instituto de Física de Radiación del HZDR.

El experimento combinó dos láseres avanzados —uno óptico de alta intensidad (ReLaX) y un láser de electrones libres de rayos X— en la estación HED-HiBEF del European XFEL, la instalación europea de rayos X de electrones libres ubicada en Schenefeld.

Un pulso inicial golpeó un alambre de cobre de apenas una séptima parte del grosor de un cabello humano, lo vaporizó al instante y elevó su temperatura a varios millones de grados, con una intensidad de 250 billones de megavatios por centímetro cuadrado durante una fracción ínfima de tiempo, condiciones equivalentes a las que existen cerca de estrellas de neutrones o durante estallidos de rayos gamma.

El proceso físico comienza cuando los electrones más próximos al núcleo atómico son desplazados por el impacto del láser. Esos electrones, con alta energía, se comportan como una onda capaz de expulsar más electrones de los átomos adyacentes. Luego, ese efecto decrece: los electrones libres pierden energía y, al recapturarse, los átomos retornan gradualmente a su estado neutro.

Cronología del plasma bajo la técnica de bombeo-sondeo

La investigación midió la evolución temporal de los iones de cobre que perdieron hasta 22 electrones (Cu²²⁺). Tras el primer destello que generó el plasma, un segundo pulso del XFEL en forma de rayos X duros funcionó como sonda de diagnóstico.

La energía de los fotones, 8,2 kiloelectronvoltios, fue sintonizada para coincidir con un salto electrónico específico en los Cu²²⁺, proceso denominado absorción resonante.

Esta metodología permitió captar una sucesión de imágenes de la dinámica interna del plasma, detalló Lingen Huang, responsable del área de experimentación en la división de Alta Densidad de Energía del HZDR. Los resultados mostraron que los iones altamente cargados surgen inmediatamente después del impacto láser, alcanzan su máximo tras unos 2,5 picosegundos y desaparecen por recombinación en un lapso total de alrededor de diez picosegundos.

Huang precisó: “En nuestro experimento de bombeo-sondeo, medimos exactamente el desarrollo temporal de esta emisión estimulada de rayos X, porque nos revela cuántos iones Cu²²⁺ hay en el plasma en cada momento específico”.

La técnica resultó determinante para documentar, por primera vez, la cronología completa del ciclo de ionización y recombinación con resolución temporal de picosegundos. Antes de este trabajo, los modelos de simulación carecían de datos experimentales directos sobre esa escala temporal en plasmas de alta densidad de energía.

Consecuencias para la investigación en fusión por láser

Las aplicaciones potenciales incluyen el refinamiento de herramientas de diagnóstico para fusionar núcleos atómicos mediante láseres, metodología considerada esencial en el desarrollo de futuros reactores de fusión.

Ulf Zastrau, responsable del experimento HED-HIBEF en el European XFEL, afirmó que “el experimento demuestra el poder de nuestros láseres y allana el camino para futuras instalaciones de fusión láser”, dado que la fusión requiere plasmas a temperaturas extremas, calentados por láseres y electrones móviles de alta energía.

La nueva información recopilada permitirá construir simulaciones más precisas de estos procesos, pieza fundamental para diseñar reactores de fusión láser más eficientes y fiables, explicó Zastrau.