De zoektocht naar de heilige graal van energie

Oké, laten we dit in perspectief plaatsen. Kernfusie is in feite de heilige graal van schone energie. Het is wat de zon aandrijft, produceert nul koolstofemissies, creëert minimale radioactieve afvalstoffen en gebruikt brandstof die praktisch onbeperkt is (waterstof, dat je uit water kunt halen). Als we fusie op aarde zouden kunnen beheersen, zouden we in essentie een onbeperkte, schone energiebron hebben die de beschaving millennia lang kan laten draaien.

Dus waarom hebben we dan nog geen fusiereactoren? Omdat het, mensen, ontzettend moeilijk is om voor elkaar te krijgen.

Al meer dan 70 jaar werken wetenschappers aan wat het Lawson-criterium wordt genoemd — een wiskundige regel die hen vertelt of plasma (de superhete aggregatietoestand waarin fusie plaatsvindt) heet en dicht genoeg kan blijven, lang genoeg, om fusiereacties in stand te houden zonder constante externe verhitting te nodig hebben. Denk aan het proberen brandend te houden van een kampvuur onder extreem zware omstandigheden. Het doel is om het vuur heet genoeg te krijgen zodat het zichzelf blijft voeden.

Maar hier komt het: dat criterium vertelde wetenschappers welke omstandigheden ze nodig hadden, maar niet hoe ze daar het meest efficiënt zouden komen.

De berg-analogie die wél helpt

Nu wordt het interessant. De wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Lab — die volgens mij oprecht veel meer aandacht verdienen dan ze krijgen — besloten dit probleem anders aan te pakken.

Stel je voor dat het pad naar fusie-ontsteking (ignition) lijkt op een bergketen. De bestemming (duurzame fusie) ligt aan de andere kant. De traditionele aanpak is in feite geweest om direct over de hoogste piek te proberen te klimmen: eerst het plasma superdicht maken, en dan enorme hoeveelheden hitte erin pompen totdat de ontsteking plaatsvindt.

Maar deze onderzoekers zeiden: "Wat als er een bergpas is? Een manier eromheen?"

Hun nieuwe berekeningen suggereren dat die er absoluut is. In plaats van eerst de dichtheid te verhogen, wat als we het plasma verhitten voordat we het samenpersen? Het is alsof je kiest voor een route via een bergpas in plaats van over de top te klimmen. Je bereikt nog steeds dezelfde bestemming, maar je verbruikt veel minder energie om er te komen.

Dr. Luis Delgado-Aparicio verwoordde het prachtig: "Veel bedrijven willen de berg recht vooruit beklimmen en enorme hoeveelheden energie verbruiken om er te komen. Ga in plaats daarvan om de piek heen. Je bereikt dezelfde plek op een veel slimmere manier, en je verbruikt veel minder energie."

Wat is in hemelsnaam de "Cordey-zadel"?

Nu moet ik dit wel bespreken, want het is echt cool. De onderzoekers identificeerden iets dat de "Cordey-zadel" wordt genoemd in hun wiskundige landschap.

In de geografie is een zadel een laag punt tussen twee bergtoppen — in feite een natuurlijk pad door de bergen. In de fusiephysik vertegenwoordigt de Cordey-zadel de meest efficiënte route over de grens tussen plasma dat externe verhitting nodig heeft en plasma dat zichzelf in stand kan houden door fusie.

Hier is een handige manier om erover na te denken: wetenschappers meten de fusie-efficiëntie met behulp van iets dat "Q" wordt genoemd. Een Q-waarde van 5 betekent dat de fusiereacties vijf keer zoveel energie produceren als wat je erin stopt. De Cordey-zadel in een geïdealiseerd systeem ligt rond Q=5 — wat veel klinkt, maar het is eigenlijk het gemakkelijke pad eroverheen. Het probleem is dat echte fusiesystemen complicaties hebben (onzuiverheden, intense magnetische velden) die bepalen waar dit zadel zich bevindt.

Begrijpen waar dat zadel zich daadwerkelijk bevindt voor een specifiek reactorontwerp is cruciaal om te weten of het geheel überhaupt haalbaar is.

Waarom dit belangrijk is voor de toekomst

Dit onderzoek kan enorme gevolgen hebben voor het ontwerp van toekomstige fusiereactoren, in het bijzonder tokamaks en stellarators — de donutvormige apparaten die krachtige magnetische velden gebruiken om plasma te bevatten bij temperaturen die heter zijn dan de kern van de zon.

Dit is wat mij enthousiast maakt: we leven in een werkelijk opmerkelijke tijd voor fusieonderzoek. Tussen deze ontdekking in Princeton, de historische laserfusie-doorbraak van het National Ignition Facility en de miljarden die in private fusiebedrijven worden gepompt, zijn we dichter bij praktische fusie-energie dan ooit tevoren.

Gaat fusie ons morgen redden van klimaatverandering? Nee. Dit zijn nog steeds complexe, dure technologieën die nog jaren weg zijn. Maar ontdekkingen zoals deze Princeton-snelroute kunnen de laatste etappe van de reis een stuk korter en goedkoper maken.

Na zeven decennia proberen de berg te beklimmen, blijkt dat er misschien al die tijd al een panoramische route was. En persoonlijk? Ik ben er helemaal voor.

Bron: ScienceDaily