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¿Es posible usar una lente para enfocar la luz solar en un punto lo suficientemente caliente como para fusionar hidrógeno?

¿Es posible usar una lente para enfocar la luz solar en un punto lo suficientemente caliente como para causar una fusión atómica?

El objetivo del siguiente diagrama es crear un punto de luz enfocado en un punto en el espacio que esté lejos de las paredes de la cámara y que esté lo suficientemente caliente como para fusionar un material combustible. El material fusionado está muy caliente en el punto de fusión, pero se enfría al mezclarse con el otro combustible no fusionado. Es de esperar que se produzca suficiente mezcla para que la temperatura en las paredes de la cámara y la tubería sea lo suficientemente baja para evitar que se derritan.

El material combustible circula activamente por una bomba a un intercambiador de calor. La mayor parte del material circula en un bucle, pero obviamente el material fusionado debe eliminarse en algún momento y agregarse nuevo combustible.

Usé hidrógeno en mi diagrama, pero aceptaré respuestas que usen otro material combustible si es más adecuado.

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5 respuestas
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No. La temperatura más alta que puede alcanzar al enfocar la luz solar es la temperatura de la superficie del sol*. Eso es unos pocos miles de K, mientras que la fusión requiere temperaturas de millones de K.

No.

Considere mirar a través de la lente (NO LO HAGA con el SOL, por supuesto. PIENSE en ello). El Sol parece más grande. En este sentido, la lente “acerca el Sol a ti”. Es importante destacar que la superficie del Sol se ve no más brillante. (A seguro Una forma de convencerte de esto es recordar cómo funciona cuando miras objetos ordinarios. Se hacen más grandes, pero no se vuelven más brillantes.)

La mejor lente posible será tan grande y con tanto aumento que hará que el Sol se vea tan cerca que ocupe toda la mitad de tu visión. Estar bajo esta lente sería como estar sentado en la superficie del Sol. Obtendrá una superficie brillante como el sol justo contra usted.

Tus ojos detonarán instantáneamente y serás incinerado rápidamente, a 5800 grados absolutos, pero el hidrógeno no se fusionará. Al igual que una pobre hormiga (por favor, tampoco tortures a las hormigas :)). La pobre hormiga muere porque «ve» un Sol que llena una gran parte de su campo de visión, como si fuera transportado a la Tierra 4 mil millones de años en el futuro, cerca del final de la vida del Sol.

Ese es el límite. Para calentarse más, el brillo de la superficie tendría que aumentar. La única forma de arreglar eso es agregar energía activamente, y la óptica pasiva no puede hacer eso.

Ahora tenga en cuenta: esto no significa que no pueda impulsar la fusión usando un encendedor solar. Simplemente no es una óptica pasiva. Si pudieras cargar las baterías en algo como un tokamak, una vez que lo refinamos lo suficiente para hacer uno que funcione, usando una gran variedad de paneles solares, entonces sí puedes encender la fusión con él, pero eso es porque el sistema solar/tokamak utiliza el energía de una manera muy diferente. Probablemente, en al menos algunas circunstancias, así es como encenderíamos un reactor de este tipo una vez que los obtengamos y eliminemos por completo los combustibles fósiles.

Para ampliar un poco la respuesta correcta de Dale, cuando los objetos (como una muestra de gas) se calientan tanto, comienzan a irradiar esa energía con mucha fuerza y, por esta razón, se vuelve cada vez más difícil impulsarlos a temperaturas más altas. En el libro de Serber The Los Alamos Primer (edición anotada) Serber relata cómo Bethe le señaló a Teller que Teller no había incluido los efectos de re-radiación en sus cálculos sobre el uso de un primario de fisión para encender una reacción de fusión, lo que condenó a los primeros diseños de «súper» bomba de Teller. Citaría la página si todavía tuviera una copia de este libro muy útil.

Hay muchas maneras de entender por qué no puede enfocar la luz de una fuente distendida de ~5700 Kelvin en un punto pequeño y más caliente.

Primero, la premisa de que los rayos del Sol son paralelos es solo una aproximación. Sí, para los rayos paralelos puede enfocarlos en un punto, pero no existe una fuente puntual verdadera y rayos paralelos verdaderos y, por lo tanto, no existe un destino puntual verdadero. Por mucho que lo intente, el tamaño físico del Sol significa que su punto no puede hacerse arbitrariamente pequeño. Por lo tanto, la energía se distribuirá en un área de modo que la temperatura del cuerpo negro sea menor que la temperatura de la fuente.

Como mencionó Dale, el calor no puede fluir pasivamente de lo más frío a lo más caliente.

La conservación de etendue significa que no puede hacer que un haz de luz sea más angosto de lo que solía ser usando un sistema óptico pasivo (como una lente).

Lo mismo se aplica al resplandor.

Por último, si considera el color de la luz, si no se permite que cambie el color de los fotones, entonces es obvio que el espectro de cuerpo negro representado de la luz estará asociado con una temperatura de 5700 Kelvin y no puede ser mayor. Entonces, desde la perspectiva de su fuente, es como estar bañado (o parcialmente bañado) en material de 5700 Kelvin que emite radiación de cuerpo negro, por lo que solo puede recibir energía de ese baño si tiene una temperatura más baja.

https://en.wikipedia.org/wiki/Etendue#Conservación_de_etendue

https://en.wikipedia.org/wiki/Radiance#Conservation_of_basic_radiance

¿Por qué importa la conservación de étendue cuando se muestra que uno no puede enfocar la luz a temperaturas arbitrarias?

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