CATEC – Innovación española para avanzar hacia la energía de fusión

1. ¿Cuál fue la motivación para empezar a desarrollar este producto?

El centro tecnológico CATEC, situado en Sevilla, tiene como principal área de investigación el sector aeroespacial, pero siempre buscando sinergias con otros sectores. La Universidad de Sevilla es colaborador habitual nuestro, en concreto, colaboramos con el departamento de ingeniería mecánica. En alguna reunión ha salido el tema de que están participan en un proyecto para desarrollar un reactor de fusión, y que está situado en la misma ciudad de Sevilla.
En 2024 se abrió una convocatoria para hacer proyectos de investigación (Convocatoria ‘TransMisiones 2024’ del CDTI) cuya temática era “Desarrollo de tecnologías para avanzar en el camino hacia la fusión”. A partir de ese momento contactamos con el grupo de “Plasma Science and Fusion Technology (PSFT)”, liderado por Manuel García Muñoz, para analizar de qué manera con las tecnologías de CATEC (fabricación aditiva metálica, monitorización de la salud estructural, materiales compuestos avanzados), podíamos contribuir en la investigación que estaban llevando a cabo en su Tokamak.
Ahí surgió el proyecto HTSMART, en el que gracias a la colaboración de CATEC con la universidad de Sevilla, y las empresas Ellyt Energy, Skylife e INESPASA, va a ser posible incluir la novedosa tecnología de imanes superconductores de alta temperatura (HTS – High temperatura superconductor) en su tokamak esférico llamado SMART – SMall Aspect Ratio Tokamak.

2. ¿Nos puedes contar cómo fue el proceso de desarrollo del producto? ¿Alguna anécdota o piedra que se interpuso en el camino?

El trabajo del centro tecnológico en esta iniciativa tiene dos líneas de investigación principales.
En primer lugar, gracias a la tecnología de fabricación aditiva metálica de gran formato disponible en CATEC, se va a poder fabricar la estructura para la nueva bobina HTS, que integrará canales para refrigeración por criogenia. Ahora mismo estamos analizando diferentes aleaciones que puedan cumplir las exigentes condiciones del interior del reactor de fusión, que opera a -253ºC, en campos magnéticos de hasta 20 T y con elevadas densidades de corriente (hasta 400 A/mm2). Esto incluye una exigente campaña de caracterización de las aleaciones fabricadas por impresión 3D, evaluación de microestrucutra con diferentes tratamientos térmicos, caracterización a temperatura criogénica o resistencia a fatiga entre otros.
La segunda investigación de CATEC es la incorporación de un novedoso sistema de monitorización de la salud estructural (SHM – Structural Health Monitoring) que permita monitorizar en tiempo real la temperatura, deformaciones y vibraciones con sensores integrados en la propia estructura metálica. En esta línea se está probando diferentes tipologías de fibra óptica, para poder embeberlas dentro de la propia estructura metálica, incluyendo fibras de zafiro.

3. ¿Cuál es la tecnología que hay detrás de esta innovación?

La tecnología principal es fabricación aditiva metálica, en concreto tecnología de deposición de energía focalizada por haz láser alimentado por filamento metálico (DED-LB – Direct Energy Deposition – Laser Beam), que permitirá integrar los canales de criogenia en la propia estructura, y hacer el reactor más compacto.
Además, se han desarrollado unos sensores en fibra óptica basados en red de Bragg (FBG – Fibre Bragg Grating) , capaces de monitorizar temperatura y deformación de manera muy precisa en campos magnéticos muy elevados y a temepratura criogénica.

4. ¿Cuáles son las principales ventajas que ofrece este producto innovador? ¿Qué necesidades cubre y cómo puede mejorar la vida de las empresas?

La tecnología DED-LB permitirá fabricar la estructura de la bobina, integrando los canales para criogenia en una sola pieza, sin soldaduras ni uniones atornilladas, lo uqe sería impensable con métodos de fabricación tradicional. La nueva bobina se integrará en el actual reactor de fusión ultracompacto del PSFT, primer Tokamak Esférico compacto del mundo que funcionará a temperaturas de fusión con plasmas con forma de Triangularidad Negativa.
En cuanto al sistema de monitorización con FBG, es una manera única de protección de los imanes HTS. Permitirá proteger la bobina ante puntos calientes que puedan producirse durante la operación y la detección temprana del quench en caso de alerta o evento anormal. Además, medirá los niveles de esfuerzos termo-electro-mecánicos que soporta la estructura de la bobina, y prevenir fallos de manera temprana.

5. ¿A qué industrias está dirigida principalmente la innovación?

La fabricación de piezas metálicas de gran formato se está empezando a utilizar en diferentes sectores, ya que además tiene la ventaja de que se puede integrar en máquinas CNC, con brazos robóticos que permiten aumentar sus grados de libertad, sistemas de monitorización que permiten analizar la calidad de la fabricación en tipo real, etc.

Entre otros, hay que destacar su uso en el sector aeroespacial, naval, petróleo, gas, defensa, o sector energías renovables como es el caso del proyecto. Se está empleando en la reparación de piezas críticas, prototipado y producción más rápida uqe permita acelerar los ciclos de innovación, reducción de soldaduras, piezas multimaterial.

Además, la innovación es la combinación de la fabricación de estrucutras de fabricación aditiva metálica junto con la monitorización de la salud estrucutral con FBG, que permitirá conocer temperatura, tensiones o deformaciones 24/7, permitiendo evaluación de seguridad y toma decisiones para garantizar su correcto funcionamiento. Esto permitirá monitorizar grandes estrucutras, en un rango de temperaturas muy elevado.
Será útil en aplicaciones de muy alta temperatura, podrá emplear en , desde altas temperaturas hasta temepraturas criogénicas, por debajo de 20 kelvin.

En la industria, sirven como sensores ligeros y cruciales para la monitorización de la salud estructural especialmente en los sectores aeroespacial (integrados en materiales compuestos), petróleo y gas (monitorizar temperatura, presión y deformación en tanques de almacenamiento o en conducciones), de ingeniería civil (puentes, túneles, presas), componentes de transformadores de potencia o energía nuclear gracias a su inmunidad a las interferencias electromagnéticas.

6. ¿Cuáles son los principales obstáculos con los que se encuentra una empresa que quiere desarrollar un producto innovador?

La principal dificultad suele ser la financiación. Se necesita grandes presupuestos, recursos materiales y equipamiento muy dedicado y específico y personal muy especializado. La empresa tiene que tener una clara estrategia de innovación que le permita conocer las necesidades reales del mercado, junto con un análisis de los riesgos existentes, ya que suele ser elevado.
Existen mecanismos públicos para financiar la investigación, pero hay que preparar memorias complicadas y conllevan muchos trámites.

Los centros de investigación como CATEC, ayudan a las empresas de todo los tamaños a superar las barreras iniciales, conocer los mecanismos de financiación de la I+D y acompañan a las empresas a realizar proyectos de vanguardia con soluciones a medida, adaptadas para responder los retos más exigentes.