Cuánta energía produce la aniquilación de la antimateria con la materia

La liberación de energía ocurrida cuando se aniquilan la materia con la antimateria es, desde todo punto de vista, descomunal. Poder construir un reactor en cuyo núcleo se den estas reacciones sería la solución definitiva a los problemas energéticos del mundo. Veamos primero un breve repaso de otras formas de producción de energía para luego volver a la antimateria:
Por el momento, cuando hablamos de métodos de producción de energía al alcance actual del ser humano, la fisión nuclear es la que produce mayor rendimiento, generando aproximadamente una energía teórica 2,5 millones de veces superior a la quema de carbón. Es decir, si se fisionan 1 kilogramo de Uranio-235 o de Plutonio-239 y se queman 2,5 millones de kilogramos de carbón, la energía resultante es equivalente. Como la forma más degradada de la energía es el calor, mucha de esa magnitud se pierde al medio y no se utiliza, por lo cual se habla de rendimiento teórico. En la práctica, dependerá de muchas variables qué porcentaje de esa producción se utiliza. Por ejemplo, en las centrales nucleares con eficiencia promedio, el rendimiento en la práctica es del orden del 33 %. De manera que, sin entrar en tema de contaminación medioambiental, el sistema más eficiente por el momento para producir energía es el de la fisión nuclear.

Hace muchos años que se está ensayando la producción energía por fusión nuclear. Se han logrado reactores cuyo rendimiento es negativo (es decir, se consume más energía que la que se produce).
Pero la fusión sigue estando en la mira para llegar a ser en un futuro la fuente de energía que suplante a la fisión. Aproximadamente, la fusión nuclear rinde 7,5 veces más que la fisión (usando la reacción del ciclo Bethe, donde cuatro protones se fusionan para producir un núcleo de helio-4 más dos positrones y dos neutrinos). Vale aclarar, a igual masa que se fisiona y se fusiona, la energía producida por fusión es 7,5 veces superior a la de la fisión.

La antimateria, una fuente de energía difícil de imaginar

Si en este momento nos preguntamos acerca de si habrá algo que produzca más energía por unidad de masa que la fusión nuclear y que, además, esté al alcance del hombre; la respuesta es, sí. Y es la energía producida por la aniquilación de antimateria con su correspondiente materia. Aprovechar esta energía para generar electricidad, por ejemplo, estaría al alcance del ser humano en un futuro quizás no demasiado lejano. Construir un reactor que funcione a base de antimateria quizás sea uno de los mayores logros de una civilización que se prepare para salir de su adolescencia autodestructiva.

¿Cómo se produce la energía a partir de la antimateria?

La antimateria se predijo en el año 1928 por el físico Paul Dirac. La partícula más famosa predicha por su ecuación fue sin lugar a dudas aquella igual en todo al electrón, pero de signo positivo: el positrón. El mismo fue descubierto en 1932 por Carl Anderson. Más tarde apareció el antiprotón, descubierto en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain. Y más tarde aún aparecería toda la demás fauna de antipartículas. Toda la materia tiene su correspondiente materia. Al momento de interaccionar mutuamente, materia y antimateria se aniquilan en un estallido de rayos gamma. Por ejemplo, cuando un electrón y un positrón se encuentran, se produce esta aniquilación generándose dos o más fotones de rayos gamma con una energía equivalente a la suma de las energías en reposo del positrón y del electrón más sus eventuales energías cinéticas.

Núcleo del RA-6 de la CNEA del CAB en funcionamiento.

¿Cuánto rinde la aniquilación de la antimateria con la materia?

Si suponemos que una masa x de partículas, por ejemplo protones, se aniquila con una masa x de antiprotones, la energía producida tiene un rendimiento teórico de aproximadamente 1000 veces superior a la producida por la misma masa de elementos fisionables. De manera tal que si aniquilamos medio gramo de electrones y medio gramo de positrones producirán mil veces más energía que la emitida por la fisión de un gramo de uranio-235 por ejemplo (o de plutonio-239).

Comprender la fisión ya es complicado. Entender que 1 gramo de material fisionable rinde tanto como la quema de 2,5 toneladas de carbón es un ejercicio de pensamiento difícil. Ahora, entender que algo rinda 1000 veces más que la fisión, ya es descomunal. Vuelvo a aclarar que estos son valores teóricos. En la práctica, aprovechar la energía en forma de rayos gamma generados por la aniquilación y usarla para calentar agua y a su vez mover una turbina para producir electricidad debe tener una gran pérdida energética por desaprovechamiento.

Normalmente uno se vale de analogías para entender números grandes o valores desproporcionados en las comparativas como los anteriores. Veamos algunas de estas analogías.

¿Cuántos vehículos se podrían levantar?

Supongamos que queremos levantar cierto número de micros de larga distancia, autobuses o colectivos llenos de pasajeros (peso aproximado 15 mil kilogramos) a una altura de 5 kilómetros. Con la energía teórica producida por un gramo de uranio-235 que se fisiona, se levantarían 112 de estos vehículos. Con la energía teórica producida por la fisión más energética se levantarían 816 de estos colectivos. Con la aniquilación de la antimateria y la materia se levantarían 112 mil de estos vehículos de 15 mil kilogramos a 5 kilómetros de altura. 

Vuelvo a aclarar por las dudas: la energía producida es teórica y se supone que toda ella, sin desperdicio, se usa para elevar el material a esa altura.

¿Cuánto mantendría iluminada una ciudad?

Una ciudad pequeña, de 100 mil habitantes, tiene un gasto mensual en Kw.h de aproximadamente 7,5 millones. Ese requerimiento mensual se cubriría con la sola aniquilación de una mezcla de 0,3 gramos de materia y antimateria. Con la aniquilación de 1 kilogramo de mezcla se mantendría “iluminada” esa pequeña ciudad por un lapso de 278 años.

Equivalencia solar

Finalmente un valor que resulta mucho hasta para la antimateria. La energía producida por el Sol en 1 segundo es de aproximadamente 4x10^26 J. Esta misma energía se obtendría con la aniquilación de 4,4 millones de toneladas de mezcla materia + antimateria.

En fin, los cálculos pueden seguir ad infinitum. Lo cierto es que todavía ni siquiera se logró la fusión nuclear controlada para producir energía. Pero, quién sabe, quizás realmente el camino sea ir directamente a la antimateria y evitar los rebuscados vericuetos de la fusión. El tiempo lo dirá.

Si al lector se le ocurren más cálculos comparativos, bienvenidos sean, a mí por el momento se me agotaron. Igualmente, cualquier otro comentario será bienvenido.

Por Mariano Miguel Lanzi