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El antiguo pueblo de Culham, ubicado en una curva del río Támesis al oeste de Londres, parece una plataforma de lanzamiento poco probable para el futuro. Pero el próximo año, la construcción comenzará aquí en un reluciente edificio de vidrio y acero que podría albergar lo que muchas personas consideran una tecnología esencial para satisfacer la demanda de energía limpia en el siglo XXI y más allá.

Ridiculizada durante mucho tiempo como una perspectiva que está para siempre a 30 años de distancia, la fusión nuclear parece finalmente acercarse a la viabilidad comercial. Ahora hay más de 30 empresas privadas de fusión en todo el mundo, según un Encuesta de octubre realizada por la Fusion Industry Association (FIA) en Washington DC, que representa a empresas del sector; las 18 empresas que han declarado su financiación dicen que han atraído más de 2.400 millones de dólares en total, casi en su totalidad de inversiones privadas (ver 'Financiación de fusión'). La clave de estos esfuerzos son los avances en la investigación de materiales y la computación que son tecnologías habilitadoras distintas de los diseños estándar que las agencias nacionales e internacionales han perseguido durante tanto tiempo.

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La última empresa en Culham, el centro de la investigación de fusión del Reino Unido durante décadas, es una planta de demostración para General Fusion (GF), una compañía con sede en Burnaby, Canadá. Está programado para comenzar a operar en 2025, y la compañía tiene como objetivo tener reactores a la venta a principios de la década de 2030. "Será la primera demostración a gran escala relevante para la planta de energía", dice el director ejecutivo de GF, Chris Mowry, a menos que, es decir, sus competidores entreguen antes.

Diseñada por la arquitecta británica Amanda Levete, la planta prototipo de GF ilustra la forma en que la investigación de fusión ha pasado de gigantescas empresas financiadas por el estado o internacionalmente a asuntos elegantes y conscientes de la imagen impulsados por empresas privadas, a menudo con apoyo estatal. (GF recibirá algunos fondos del gobierno del Reino Unido; no ha revelado cuánto).

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Impresión artística de la planta planificada de General Fusion en Culham, Reino Unido. Crédito: AL_A para General Fusion. Imagen principal: El imán superconductor de alta temperatura más fuerte del mundo se utilizará en un reactor de fusión de 2025 en Massachusetts.

En este sentido, los defensores de la tecnología de fusión dicen que tiene muchos paralelismos con la industria espacial. Eso, también, una vez se limitó a las agencias gubernamentales, pero ahora se está beneficiando del impulso y la imaginación de la empresa privada ágil (aunque a menudo asistida por el estado). Este es "el momento de SpaceX para la fusión", dice Mowry, refiriéndose a la compañía de vuelos espaciales de Elon Musk en Hawthorne, California.

"El estado de ánimo ha cambiado", dice Thomas Klinger, especialista en fusión del Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) en Greifswald, Alemania. "Podemos oler que nos estamos acercando". Los inversores perciben la perspectiva real de rendimientos de su dinero: Google y el banco de inversión Goldman Sachs, con sede en la ciudad de Nueva York, por ejemplo, se encuentran entre los que financian a la compañía de fusión TAE Technologies, con sede en Foothill Ranch, California, que ha recaudado alrededor de $ 880 millones hasta ahora. "Las empresas están empezando a construir cosas al nivel de lo que los gobiernos pueden construir", dice Bob Mumgaard, director ejecutivo de Commonwealth Fusion Systems (CFS), con sede en Cambridge, Massachusetts.

Y justo cuando los viajes espaciales privados se están materializando, muchos observadores de la industria pronostican que el mismo modelo de negocio dará lugar a la fusión comercial, que se necesita desesperadamente para descarbonizar la economía energética, dentro de una década. "Hay una muy buena oportunidad de llegar allí en menos de diez años", dice Michl Binderbauer, director ejecutivo de TAE Technologies. En el informe de la FIA, la mayoría de los encuestados pensaron que la fusión alimentaría una red eléctrica en algún lugar del mundo en la década de 2030.

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Un técnico trabaja dentro del reactor de fusión de demostración 'Norman' de TAE. 

Varios investigadores de fusión que no trabajan para empresas privadas dijeron Naturaleza que, aunque las perspectivas son innegablemente emocionantes, la fusión comercial en una década es demasiado optimista. "Las empresas privadas dicen que lo tendrán funcionando en diez años, pero eso es solo para atraer a los financiadores", dice Tony Donné, gerente de programa del consorcio Eurofusion que realiza experimentos en el estatal Joint European Torus, establecido en Culham a fines de la década de 1970. y todavía lo hacen".

Los plazos que proyectan las empresas deben considerarse no tanto como promesas sino como aspiraciones motivacionales, dice Melanie Windridge, física de plasma que es directora de comunicaciones de la FIA en el Reino Unido y consultora de comunicaciones para la firma de fusión Tokamak Energy, en Culham. "Creo que los objetivos audaces son necesarios", dice. También es probable que se necesite apoyo estatal para construir una planta de energía de fusión que realmente alimente electricidad a la red, agrega Ian Chapman, director ejecutivo de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA).

Pero ya sea que provenga de la empresa privada a pequeña escala, de grandes proyectos de fusión nacionales o internacionales, o un poco de ambos, la fusión nuclear práctica finalmente parece estar en el horizonte. "Estoy convencido de que va a suceder", dice Chapman. Chris Kelsall, director ejecutivo de Tokamak Energy, está de acuerdo. "Tarde o temprano esto se romperá", dice. "Y será transformador".

Sueño de setenta años

La fusión nuclear, dice Klinger, es "la única fuente de energía primaria que queda en el Universo" que aún tenemos que explotar. Desde que el proceso que alimenta las estrellas fue aprovechado en la década de 1950 para las bombas de hidrógeno, los tecnólogos han soñado con desbloquearlo de una manera más controlada para la generación de energía.

Las centrales nucleares existentes utilizan la fisión: la liberación de energía cuando los átomos pesados como el uranio se descomponen. La fusión, por el contrario, produce energía mediante la fusión de núcleos muy ligeros, típicamente hidrógeno, lo que puede ocurrir solo a temperaturas y presiones muy altas. La mayoría de los esfuerzos para aprovecharlo en los reactores implican calentar los isótopos de hidrógeno deuterio (D) y tritio (T) hasta que forman un plasma, un estado fluido de la materia que contiene átomos ionizados y otras partículas cargadas, y luego se fusionan (ver 'Mezcla de combustible'). Para estos isótopos, la fusión comienza a temperaturas y densidades más bajas que para el hidrógeno normal.

La fusión D-T genera algo de radiación en forma de neutrones de corta duración, pero no residuos radiactivos de larga duración, a diferencia de la fisión. También es más seguro que la fisión porque se puede apagar fácilmente: si el plasma se lleva por debajo de los umbrales críticos de temperatura o densidad, las reacciones nucleares se detienen.

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Sin embargo, lo que hace que sea tan difícil de conducir de manera controlada es el desafío de contener plasma cargado eléctricamente que está experimentando fusión a temperaturas de alrededor de 100 millones de kelvin, mucho más caliente que el centro del Sol. En general, los investigadores utilizan campos magnéticos para confinar y levitar el plasma dentro del reactor. Pero las inestabilidades en este fluido infernal hacen que la contención sea muy difícil, y hasta ahora han impedido que la fusión se mantenga durante el tiempo suficiente para extraer más energía de la que se pone para desencadenarla.

Esto es necesariamente una gran ciencia, y hasta este siglo, solo los proyectos estatales podían reunir los recursos. La escala de la empresa se refleja hoy en el mayor esfuerzo de fusión del mundo: ITER, un reactor de fusión que se está construyendo en el sur de Francia y con el apoyo de 35 naciones, incluidas China, los estados miembros de la Unión Europea, los Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur y Japón, con un precio de al menos $ 22 mil millones.

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Una bobina magnética en forma de D (izquierda) que formará parte del gigantesco reactor de fusión ITER en Francia.

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Una parte del recipiente de vacío del ITER, dentro del cual se retendrá el plasma.

Aunque las primeras ejecuciones de prueba están programadas para 2025, La fusión D-T completa no está programada hasta 2035, en última instancia, con el objetivo de extraer continuamente 500 MW de potencia, comparable a la producción de una modesta central eléctrica de carbón, mientras se ponen 50 MW en el reactor. (Estos números se refieren solo a la energía puesta directamente y extraída del plasma; no tienen en cuenta otros procesos, como las necesidades de mantenimiento o las ineficiencias de convertir la salida de calor de fusión en electricidad).

Otra serie de grandes reactores podría seguir a ITER: China, que tiene tres reactores de fusión que alimentan los resultados en ITER, planea un Reactor de Pruebas de Ingeniería de Fusión de China (CFETR) en la década de 2030, y tanto Corea del Sur como la UE proponen construir plantas de energía de demostración que seguirían a ITER.

Los grandes esfuerzos nacionales e internacionales no tendrán éxito lo suficientemente pronto como para permitir la descarbonización necesaria para abordar el cambio climático, aunque se espera que la fusión se convierta en una parte clave de la economía energética en la segunda mitad del siglo. Pero las empresas privadas esperan tener dispositivos que funcionen y sean asequibles antes (ver 'Fusion rush').

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Las empresas y los gobiernos están desarrollando muchos tipos de reactores de fusión. Todos calientan el gas para crear un plasma, confinado a temperaturas tan altas que los núcleos atómicos se fusionan, liberando energía que puede aprovecharse para la electricidad. Aquí hay cinco diseños prominentes. Ilustraciones de Tomáš Müller

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Tokamak (ITER y otras instalaciones) Las bobinas magnéticas superconductoras, enfriadas por helio líquido, retenen el plasma en un recipiente toroidal.

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Mini-tokamak (Tokamak Energy, Commonwealth Fusion Systems y otros) Los imanes hechos de superconductores de alta temperatura producen campos más fuertes y se pueden enfriar más fácilmente, lo que permite construir tokamaks más compactos y esféricos.

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Reactor lineal (haces en colisión) (Tecnologías TAE) Los paquetes de plasma se disparan en una cámara central y giran rápidamente dentro de un solenoide (electroimán de alambre en espiral).

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Reactor objetivo magnetizado (Fusión General) Una bola giratoria de metal líquido confina el plasma; los pistones lo comprimen rápidamente. Se permite que el plasma se expanda, luego se comprima nuevamente.

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Stellarator (Wendelstein 7-X) Un complicado bucle retorcido de campos magnéticos confina el plasma.

Al igual que con la exploración espacial, uno de los beneficios de un sector privado de fusión es una mayor diversidad de enfoques que las empresas estatales monolíticas pueden reunir. ITER está utilizando el enfoque más común para confinar el plasma, en un dispositivo llamado tokamak, que utiliza potentes imanes superconductores para mantener el plasma en un recipiente en forma de anillo (toroidal). El flujo de las partículas de plasma cargadas eléctricamente también genera un campo magnético que ayuda a confinar el plasma.

Pero un tokamak no es la única opción. En los primeros días de la fusión, en la década de 1950, el astrofísico estadounidense Lyman Spitzer demostró que los campos magnéticos podían configurarse en un bucle retorcido, más bien como una figura de ocho, para hacer una "botella magnética" que podría llenarse con plasma. Este diseño era conocido como stellarator. Pero resolver las ecuaciones que describían el plasma para esta geometría compleja era demasiado intensivo computacionalmente, por lo que el concepto se abandonó en su mayoría una vez que se demostró que los tokamaks funcionaban.

Sin embargo, a medida que las supercomputadoras estaban disponibles a fines de la década de 1980, los investigadores revisaron la idea. Esto llevó a un proyecto estelar en el IPP llamado reactor Wendelstein 7-X. Con un costo de más de € 1 mil millones (US $ 1.15 mil millones) para construir, dotar de personal y operar hasta sus primeras pruebas de plasma en 2015, con costos de construcción de € 370 millones en gran parte asumidos por el gobierno alemán, Wendelstein 7-X se completará a fines de este año. Luego viene un largo proceso de averiguar cómo operarlo rutinariamente como un proyecto de demostración.

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Los stellarators tienen la ventaja de que su plasma se confina más fácilmente, sin necesidad (como en los tokamaks) de conducir fuertes corrientes eléctricas a través de él para mantener un control sobre las inestabilidades, dice la física de fusión Josefine Proll de la Universidad de Tecnología de Eindhoven en los Países Bajos. Pero no está claro si será posible implementar la tecnología stellarator en un reactor en 20-30 años. "No parece tan probable en este momento", dice. "Todavía tenemos muchas preguntas básicas por responder", dice Klinger. "Esta es una máquina única en su tipo, por lo que uno debe ser paciente e ir paso a paso". Las empresas privadas establecen objetivos a corto plazo porque tienen que satisfacer a sus partes interesadas, dice, pero eso no significa que puedan cumplir.

Diseños alternativos

Algunas compañías privadas de fusión se están quedando con el diseño tokamak, pero se redujeron. En Tokamak Energy, un equipo de alrededor de 165 empleados está trabajando en un tokamak esférico, con forma de manzana con su núcleo eliminado. Con 3,5 metros de diámetro, será muchas veces más pequeño que el ITER tokamak, que, con el equipo de refrigeración circundante, tendrá casi 30 metros de ancho y alto. Algunos esquemas financiados por el estado también están considerando el diseño esférico compacto: la UKAEA, por ejemplo, ha lanzado un proyecto llamado STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) que tiene como objetivo crear un dispositivo de este tipo en una planta prototipo que entregaría al menos 100 MW a la red nacional para 2040. La UKAEA ha preseleccionado cinco sitios para albergar la planta, y espera que la elección final se haga el próximo año.

La clave de estos diseños son los nuevos tipos de imanes hechos de cintas de materiales superconductores de alta temperatura, que deberían producir campos mucho más fuertes que los imanes superconductores convencionales utilizados por ITER. Son "un potencial cambio de juego", dice Klinger, no solo por sus campos más altos, sino también porque los superconductores convencionales necesitan refrigeración líquida por helio. Esa es una pesadilla de ingeniería: la viscosidad del helio líquido es casi nula, lo que le permite filtrarse a través de cualquier pequeña grieta. Los superconductores de alta temperatura, por el contrario, se pueden enfriar con nitrógeno líquido, que es abundante, barato y fácil de almacenar.

Tanto Tokamak Energy (en colaboración con el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza) como CFS están apostando por estos nuevos imanes. En agosto, CFS anunció que los había hecho en la forma necesaria para sus tokamaks, "a tiempo y dentro del presupuesto", dice Mumgaard con orgullo.

En 2018, CFS se separó del Centro de Ciencia y Fusión de Plasma del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge, y Klinger considera a la firma "la iniciativa de fusión privada más prometedora, más valiosa y más pensada". El MIT y el CFS juntos se están preparando para construir lo que Mumgaard llama "la primera máquina de fusión que produce energía neta", produciendo más energía de la que entra en ella. Llamado SPARC, se está construyendo en Devens, Massachusetts. Mumgaard dice que estará funcionando a finales de 2025 y será "comercialmente relevante" porque generará alrededor de 100 MW de potencia.

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First Light Fusion, una compañía escindida de la Universidad de Oxford, Reino Unido, en 2011, está siguiendo una estrategia diferente, llamada confinamiento inercial. Aquí, el plasma de fusión no está sostenido por campos magnéticos: más bien, una onda de choque lo comprime a las inmensas densidades necesarias para la fusión, y el plasma conserva su forma solo por una fracción de segundo solo por inercia, antes de extenderse y disipar su energía. La idea ha existido desde la década de 1950, y también se está estudiando en la Instalación Nacional de Ignición de los Estados Unidos (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, donde las cápsulas de plástico del tamaño de un guisante de combustible D-T son implosionadas por pulsos de nanosegundos de luz láser para encender la fusión. En agosto, NIF informó de un disparo láser que produjo una salida de energía fugaz 8 veces mayor de lo que había logrado antes. — y ascendía al 70% de la energía que había entrado en la reacción. Eso ha aumentado las esperanzas de obtener ganancias netas de la fusión láser de confinamiento inercial, aunque un proceso tan intensivo en energía podría ser más útil para la investigación fundamental que para la generación de energía a gran escala.

En First Light, la onda de choque de compresión no es creada por láseres hambrientos de energía, sino por el uso de una pistola de proyectil electromagnética para disparar una pequeña pieza de material en un objetivo que contiene los isótopos de hidrógeno. La compañía mantiene en secreto los detalles del proceso, pero ha dicho que para lograr la fusión, tendrá que disparar el material a 50 kilómetros por segundo, el doble de rápido de lo que normalmente se logra en los experimentos actuales de ondas de choque.

GF está adoptando otro enfoque, llamado fusión de objetivos magnetizados. Implica que el plasma se comprima más lentamente, por ejemplo, usando pistones, pero con la ayuda de un confinamiento magnético que evita que el calor se disipe a medida que se comprime el plasma. Esta idea, sugerida a principios de la década de 1970 por investigadores del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos en Washington DC, busca un compromiso óptimo entre los altos campos magnéticos intensivos en energía necesarios para confinar un plasma tokamak, y las ondas de choque, láseres u otros métodos utilizados para comprimir rápidamente el plasma en diseños de confinamiento inercial.

El diseño de GF para su reactor Culham utiliza una centrífuga para hacer girar una cámara llena de plomo fundido y litio. Ese movimiento abre una cavidad en el metal líquido, donde se encuentra el plasma. Un sistema de pistón bombea más metal líquido a la cámara, comprimiendo el plasma durante unas pocas decenas de milisegundos. Comienza la fusión; luego se libera la presión y se repite el proceso en pulsos, aproximadamente una vez por segundo.

Un aspecto especialmente bueno de este reactor es cómo genera combustible de tritio, un recurso enormemente costoso que solo se puede hacer en reacciones nucleares y se descompone rápidamente. En ITER y otros diseños, el tritio se producirá cuando los neutrones que escapan del reactor golpeen una manta de litio que recubre el tokamak. En el diseño de GF, el tritio se fabrica cuando los neutrones golpean el litio dentro del propio sistema de compresión líquido-metálico.

GF ha descifrado desafíos clave solo en los últimos años: hacer un objetivo de plasma que dure lo suficiente como para ser comprimido, y colapsar suave y rápidamente la cavidad de metal líquido. La firma dice, sin embargo, que después de que tenga su planta de demostración en el Reino Unido operando en 2025, "alimentará hogares, empresas e industria con energía de fusión limpia, confiable y asequible para principios de la década de 2030".

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Un técnico de General Fusion trabaja en el sistema de inyección de plasma para uno de los reactores de la compañía. 

TAE Technologies tiene, de alguna manera, un concepto aún más audaz. Planea abandonar el combustible D-T por completo, en lugar de fusionar átomos de boro-11 con núcleos de hidrógeno-1 (protones). Esta idea, defendida por el cofundador de TAE, el físico canadiense de plasma Norman Rostoker, y denominada p–11La fusión B, requiere temperaturas diez veces mayores que para la fusión D-T: alrededor de mil millones de kelvin. La ventaja es que esta reacción utiliza sólo abundantemente combustible disponible, y no genera neutrones que puedan contaminar el reactor. Binderbauer dice que el concepto ofrece menores costos de mantenimiento y un objetivo final mucho más sostenible.

En los reactores TAE, el plasma está confinado dentro de un campo magnético cilíndrico hecho por un solenoide, un diseño que se basa en tecnologías de aceleradores de partículas. El plasma gira alrededor del eje; esa rotación, como en una peonza, genera una estabilidad inherente. El confinamiento no requiere fuertes campos magnéticos externos; estos son generados principalmente por el propio plasma giratorio. Para mantenerlo girando, los haces tangenciales de boro inyectan momento angular, más bien como una parte superior es torcida por un látigo.

La compañía ha hecho prototipos para demostrar esta configuración; desde 2017, ha estado trabajando con un sistema de prueba llamado Norman, y ahora está comenzando a trabajar en un dispositivo llamado Copernicus que funcionará con plasmas normales de hidrógeno (u otros no fusionantes) para evitar la producción de neutrones. Las simulaciones por computadora mostrarán qué energía se generaría si se usara combustible de fusión real. Si TAE logra las condiciones necesarias para la fusión D-T, lo que espera hacer a mediados de esta década, la compañía planea licenciar la tecnología a otros que buscan esos combustibles. Binderbauer llama a Copérnico un "trampolín" para las temperaturas necesarias para11Fusión B. "Estamos convencidos de que podemos llegar al nivel de mil millones de grados", dice, y espera ver esto hacia el final de la década.

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Entre las muchas otras empresas privadas de fusión, Helion Energy, en Everett, Washington, ha atraído el mayor interés de los inversores: este mes, anunció una ronda de financiación de $ 500 millones, lo que eleva su total a $ 578 millones. Su objetivo es generar electricidad directamente a partir de la fusión, en lugar de utilizar el proceso para calentar fluidos y accionar turbinas. La técnica de Helion consiste en disparar pulsos de plasma juntos dentro de un reactor lineal, luego comprimir rápidamente el plasma fusionado con campos magnéticos. Cuando se produce la fusión, el plasma se expande y su campo magnético interactúa con el que rodea el reactor para inducir una corriente eléctrica. Helion espera fusionar una mezcla de deuterio y helio-3, que no produciría neutrones como subproducto. Pero el helio-3 en sí mismo tendría que ser producido por fusión D-D. La compañía está construyendo un reactor de demostración llamado Polaris, que pretende tener en funcionamiento para 2024.

¿Reactores más baratos?

Los reactores construidos por empresas privadas, al ser más pequeños que los proyectos a escala ITER, serán mucho más asequibles. El cofundador de Tokamak Energy, David Kingham, prevé dispositivos de miles de millones de dólares, y Binderbauer cree que los sistemas de TAE podrían construirse por alrededor de $ 250 millones.

El objetivo es hacer pequeños reactores de fusión que sean compatibles con las redes de energía existentes. Kelsall dice que también podrían servir a industrias que son particularmente intensivas en energía, como la fundición de metales, un sector que no puede ser abastecido por energías renovables. Mowry agrega que el transporte marítimo podría ser otro mercado importante: los dispositivos que producen alrededor de 100 MW de potencia son "del tamaño adecuado para un gran buque portacontenedores".

Sin embargo, Donné se mantiene cauteloso sobre las perspectivas, diciendo que las empresas privadas "están trabajando en caminos de tiempo agresivos en comparación con los proyectos financiados con fondos públicos, pero también tienen un riesgo mucho mayor de fracaso potencial". De todos modos, TAE, por su parte, insiste en que todavía está en el camino que prometió a mediados de la década de 2010, de tener un dispositivo de fusión listo para su comercialización a finales de esta década (ver 'Promesas futuras').

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A pesar de su escepticismo, Donné añade: "Veo el auge de las empresas privadas de fusión como una buena señal. Puede haber beneficios mutuos al mantener estrechos vínculos entre los proyectos de fusión públicos y privados". Eso ciertamente está sucediendo. La industria privada de la fusión no solo se está basando en años de inversión estatal en proyectos como ITER, sino que se está beneficiando de los gobiernos que ven valor en apoyarla, razón por la cual el gobierno del Reino Unido y el Departamento de Energía de los Estados Unidos también están invirtiendo en empresas como Tokamak Energy, CFS y GF. Mowry cree que tales asociaciones público-privadas son el camino a seguir, como lo fueron para las vacunas COVID-19. Y, al igual que con las vacunas, la fusión será necesaria en todas partes, especialmente a medida que aumente el uso de energía en los países de bajos ingresos.

Las vacunas mostraron "lo que puedes hacer si tienes los recursos", dice Windridge. "Si tuviéramos ese tipo de compromiso en energía, creo que sería increíble ver lo que se puede lograr". Al igual que con las vacunas, también, la sociedad necesita desesperadamente más fuentes de energía limpias y libres de carbono. "Este es un desafío existencial", dice Mowry. "La fusión es la vacuna para el cambio climático".

Philip Ball es un escritor científico en Londres.

Fuente

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