Jakten på energins heliga graal
Okej, låt mig sätta detta i ett perspektiv. Fusionsenergi är i princip den heliga graalen inom ren kraft. Det är det som driver solen, producerar noll koldioxidutsläpp, skapar minimalt med radioaktivt avfall och använder bränsle som är i princip obegränsat (väte, som man kan utvinna ur vatten). Om vi kunde tämja fusion på jorden skulle vi i princip ha en obegränsad, ren energikälla som skulle kunna driva civilisationen i årtusenden.
Så varför har vi inte fusionskraftverk än? För, vänner, det är löjligt svårt att genomföra.
I över 70 år har forskare arbetat med det som kallas Lawson-kriteriet – en matematisk regel som talar om för dem om plasma (det superheta tillståndet av materia där fusion sker) kan förbli tillräckligt varmt och tätt, tillräckligt länge, för att upprätthålla fusionsreaktioner utan att behöva konstant extern uppvärmning. Tänk på det som att försöka hålla en lägereld brinnande under extremt tuffa förhållanden. Målet är att få elden tillräckligt varm så att den fortsätter att föda sig själv.
Men här är grejen: det kriteriet berättade för forskarna vilka förhållanden de behövde, men inte hur de skulle nå dit mest effektivt.
Bergstopps-analogin som faktiskt hjälper
Nu blir det intressant. Forskarna vid Princeton Plasma Physics Lab – som jag genuint tycker förtjänar mycket mer uppmärksamhet än de får – bestämde sig för att se på detta problem på ett annat sätt.
Föreställ dig att vägen till fusionsantändning är som en bergskedja. Destinationen (hållbar fusion) ligger på andra sidan. Det traditionella tillvägagångssättet har i princip varit att försöka klättra direkt över den högsta toppen: gör plasman supertät först, och pumpa sedan in enorma mängder värme tills antändning sker.
Men dessa forskare sa: "Tänk om det finns ett bergspass? En väg runt?"
Deras nya beräkningar tyder på att det absolut finns det. Istället för att öka densiteten först, tänk om vi värmer upp plasman innan vi komprimerar den? Det är som att välja att köra genom ett bergspass istället för att klättra över toppen. Du når fortfarande samma destination, men du använder betydligt mindre energi för att komma dit.
Dr. Luis Delgado-Aparicio uttryckte det vackert: "Många företag vill klättra upp för berget rakt fram och lägga enorma mängder energi på att nå toppen. Gå runt toppen istället. Du når samma plats på ett mycket smartare sätt, och du använder långt mindre energi."
Vad i hela friden är en "Cordey-sadel"?
Nu måste jag prata om detta eftersom det är genuint coolt. Forskarna identifierade något som kallas "Cordey-sadeln" i sitt matematiska landskap.
Inom geografin är en sadel en låg punkt mellan två bergstoppar – i princip en naturlig passage genom bergen. Inom fusionsfysik representerar Cordey-sadeln den mest effektiva vägen över gränsen mellan plasma som behöver extern uppvärmning och plasma som kan upprätthålla sig själv genom fusion.
Här är ett smidigt sätt att tänka på det: forskare mäter fusionseffektivitet med hjälp av något som kallas "Q". Ett Q-värde på 5 innebär att fusionsreaktionerna producerar fem gånger mer energi än vad du tillför. Cordey-sadeln i ett idealiserat system ligger runt Q=5 – vilket låter som mycket, men det är faktiskt den enkla vägen över. Problemet är att verkliga fusionssystem har komplikationer (orenheter, intensiva magnetfält) som förskjuter var denna sadel befinner sig.
Att förstå var den sadeln faktiskt befinner sig för varje given reaktordesign är avgörande för att veta om hela projektet ens är genomförbart.
Varför detta är viktigt för framtiden
Denna forskning kan få enorma konsekvenser för designen av framtida fusionsreaktorer, särskilt tokamaks och stellarators – de munkformade apparaterna som använder kraftfulla magnetfält för att hålla plasma vid temperaturer som är hetare än solens kärna.
Här är det som gör mig entusiastisk: vi lever i en genuint anmärkningsvärd tid för fusionsforskning. Mellan denna upptäckt i Princeton, National Ignition Facilities historiska genombrott inom laserfusion och de miljarder som strömmar in i privata fusionsföretag, är vi närmare praktisk fusionsenergi än vi någonsin har varit.
Kommer fusion att rädda oss från klimatförändringarna imorgon? Nej. Det är fortfarande komplexa, dyra teknologier som ligger år bort. Men upptäckter som denna genväg i Princeton skulle kunna göra den sista etappen av resan betydligt kortare och billigare.
Efter sju decennier av försök att klättra upp för berget visar det sig att det kan ha funnits en naturskön rutt hela tiden. Och personligen? Jag är helt med på det.
Källa: ScienceDaily